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n UNIVERSIDAD DE JAÉN

Escuela Politécnica Superior (Jaén)

Trabajo Fin de Grado

ANÁLISIS COMPARATIVO DE

LA CALIDAD SUPERFICIAL DE

PIEZAS FABRICADAS

MEDIANTE MECANIZADO Y

FABRICACIÓN ADITIVA

Alumno: Mercedes Pérez Jiménez Tutor: Prof. D. Diego Carou Porto Dpto: Ingeniería Mecánica y Minera

Junio, 2018

Mercedes Pérez Jiménez Lista de acrónimos

i

Lista de acrónimos

ABS: del inglés Acrylonitrile Butadiene Styrene

AISI: del inglés American Iron and Steel Institute

ANOVA: Análisis de la Varianza

CAD: del inglés Computer Aided Design

CLIP: del inglés Continuous Liquid Interface Production

CN: control numérico (CN)

CNC: del inglés Computer Numerical Control

DMLS: del inglés Direct Metal Laser Sintering

FDM: del inglés Fused Deposition Modeling

FFF: Fabricación de Filamentos Fundidos

ISO: del inglés International Organization for Standardization

LOM: del inglés Laminated Object Manufacturing

NIST: del inglés National Institute of Standards and Technology

OCDE: Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico

PBF: del inglés Powder Bed Fusion

PLA: del inglés polylactic acid

SGC: del inglés Solid Ground Curing

SLA: estereolitografía

https://en.wikipedia.org/wiki/Acrylonitrile_butadiene_styrene

Mercedes Pérez Jiménez Lista de acrónimos

ii Escuela Politécnica Superior de Jaén

SLM: del inglés Selective Laser Melting

SLS: del inglés Selective Laser Sintering

SML: del inglés Sheet Material Lamination

STEP: del inglés Standard for the Exchange of Product

STL: del inglés Standard Triangle Language

TFG: Trabajo de Fin de Grado

VPP: del inglés Vat Photopolymerization

Mercedes Pérez Jiménez Índice de tablas

iii

Índice de tablas

Tabla 2.1: Clases de rugosidad y ancho de cresta correspondiente (Lakić et al., 2014). ......10

Tabla 2.2: Procesos de fabricación aditiva y años de invención (Rietzel et al., 2017). ..........15

Tabla 2.3: Materiales actuales comerciales para fabricación aditiva por categoría de proceso

(Basada en Bourell et al., 2017). ..........................................................................................18

Tabla 2.4: Rugosidad superficial media de las técnicas de fabricación aditiva (Kumbhar y

Mulay, 2016). .......................................................................................................................20

Tabla 2.5: Actividades de mecanizado por aleación de material y sector industrial (Childs et

al., 2000). .............................................................................................................................24

Tabla 2.6: Diferencias entre fabricación aditiva y mecanizado (Noorani, 2018). ...................29

Tabla 3.1: Factores, niveles y nomenclatura para el experimento 1. ....................................38

Tabla 3.2: Factores, niveles y nomenclatura para el experimento 2. ....................................38

Tabla 3.3: Factores, niveles y nomenclatura para los ensayos en torneado. ........................39

Tabla 3.4: Combinaciones para el diseño factorial fraccionado para el experimento 1. ........40

Tabla 3.5: Plan del experimento 1. .......................................................................................42

Tabla 3.6: Plan del experimento 2. .......................................................................................42

Tabla 4.1: Propiedades del PLA utilizado. ............................................................................50

Tabla 4.2: Dimensiones de la impresora Witbox. ..................................................................51

Tabla 4.3: Parámetros de impresión de las probetas para torneado. ....................................56

Tabla 4.4: Factores y niveles para el experimento 1. ............................................................60

Tabla 4.5: Seguimiento de ensayos del experimento 1. ........................................................60

Tabla 4.6: Factores y niveles para el experimento 2. ............................................................62

Tabla 4.7: Seguimiento de ensayos del experimento 2. ........................................................63

Tabla 4.8: Factores y niveles para los ensayos de torneado. ...............................................65

Tabla 4.9: Seguimiento de ensayos por mecanizado. ..........................................................65

Tabla 4.10: Resultados de rugosidad superficial obtenidos en el experimento 1. .................66

Tabla 4.11: Código de significación del software R ..............................................................67

Tabla 4.12: Resultados del ANOVA para el experimento 1. .................................................67

Tabla 4.13: Contribución de cada factor a la variabilidad para el experimento 1...................69

Tabla 4.14: Test de normalidad de Shapiro-Wilk para el experimento 1. ..............................70

Tabla 4.15: Test no paramétricos de Spearman y Kendall para el experimento 1. ...............70

Tabla 4.16: Resultados de rugosidad superficial obtenidos en el experimento 2. .................74

Tabla 4.17: Resultados del ANOVA para el experimento 2. .................................................75

Tabla 4.18: Contribución de cada factor a la variabilidad para el experimento 2...................76

Tabla 4.19: Test de normalidad de Shapiro-Wilk para el experimento 2. ..............................77

Tabla 4.20: Test no paramétricos de Spearman y Kendall para el experimento 2. ...............77

Tabla 4.21: Rugosidades de las probetas antes del torneado. .............................................78

Tabla 4.22: Resultados de rugosidad obtenidos para las probetas torneadas. .....................79

Tabla 4.23: Rugosidades medias de las probetas por tramo. ...............................................79

Tabla 4.24: Temperaturas obtenidas durante el torneado de las probetas. ..........................80

Mercedes Pérez Jiménez Índice de figuras

iv

Índice de figuras

Figura 2.1: Desviaciones de forma (DIN 4760, 1982). ........................................................... 7

Figura 2.2: Parámetros básicos del perfil de rugosidad (UNE-EN ISO 4287:1997, 1999). ..... 9

Figura 2.3: Características de transmisión de los perfiles de rugosidad y de ondulación

(UNE-EN ISO 4287:1997, 1999). .........................................................................................11

Figura 2.4: Perfiles característicos de la rugosidad superficial. .............................................12

Figura 2.5: Efecto escalera ...................................................................................................19

Figura 2.6: Cinco pasos del proceso de impresión 3D (basado en Noorani, 2018). ..............21

Figura 3.1: División de las probetas para la toma de medidas. .............................................41

Figura 4.1: Espray fijador y PLA empleados. ........................................................................51

Figura 4.2: Impresora Witbox, PLA y espray fijador. .............................................................52

Figura 4.3: Software Ultimaker CURA 3.2.1. ........................................................................53

Figura 4.4: Rugosímetro Mitutoyo Surftest SJ 210. ..............................................................54

Figura 4.5: Impresora AirWolf 3D HD. ..................................................................................56

Figura 4.6: Torno Pinacho SP/165. ......................................................................................57

Figura 4.7: Cámara de imagen térmica FLIR i3. ...................................................................58

Figura 4.8: Probetas del experimento 1. ...............................................................................61

Figura 4.9: Probetas del experimento 2. ...............................................................................64

Figura 4.10: Probetas de los ensayos de torneado. ..............................................................66

Figura 4.11: Rugosidad superficial del experimento 1 agrupadas por altura de capa. ..........72

Figura 4.12: Rugosidad superficial del experimento 1 agrupadas por grosor de la pared. ....73

Figura 4.13: Medición de probetas. ......................................................................................75

Figura 4.14: Rugosidad superficial del experimento 2 agrupadas por grosor de la pared. ....78

Figura 4.15: Rugosidad superficial en los ensayos de torneado. ..........................................81

Figura 4.16: Temperaturas obtenidas en los ensayos de torneado.......................................81

Mercedes Pérez Jiménez Índice

v Escuela Politécnica Superior de Jaén

Índice

1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 1

1.1. Planteamiento ......................................................................................................... 1

1.2. Motivación y objetivos ............................................................................................. 2

1.3. Estructura ................................................................................................................ 3

2. ESTADO DEL ARTE ...................................................................................................... 5

2.1. Introducción ............................................................................................................ 5

2.2. Calidad superficial ................................................................................................... 6

2.2.1. Definiciones básicas ........................................................................................ 6

2.2.2. Medición de la rugosidad ................................................................................10

2.3. Fabricación aditiva .................................................................................................13

2.3.1. Reseña histórica .............................................................................................13

2.3.2. Categorías de procesos ..................................................................................16

2.3.3. Materiales .......................................................................................................17

2.3.4. Rugosidad .......................................................................................................18

2.3.5. Procedimiento a seguir ....................................................................................21

2.4. Mecanizado ............................................................................................................22

2.4.1. Reseña histórica .............................................................................................22

2.4.2. Categorías de procesos ..................................................................................23

2.4.3. Materiales .......................................................................................................24

2.4.4. Rugosidad .......................................................................................................26

2.4.5. Procedimiento a seguir ....................................................................................27

2.5. Comparación entre fabricación aditiva y mecanizado .............................................28

2.5.1. Rugosidades en metales .................................................................................30

2.5.2. Rugosidades en plásticos ...............................................................................32

3. METODOLOGÍA ...........................................................................................................35

3.1. Introducción ...........................................................................................................35

3.2. Planificación pre-experimental ...............................................................................35

3.2.1. Reconocimiento y declaración del problema ...................................................35

3.2.2. Selección de la variable de respuesta .............................................................36

3.2.3. Selección de los factores, niveles y rangos .....................................................36

3.3. Elección del diseño experimental ...........................................................................39

3.4. Realización del experimento ..................................................................................43

3.4.1. Actividades previas a los ensayos ...................................................................43

3.4.1.1. Impresión 3D ...................................................................................................43

Mercedes Pérez Jiménez Índice

vi Escuela Politécnica Superior de Jaén

3.4.1.2. Torneado .........................................................................................................44

3.4.2. Realización de ensayos ..................................................................................44

3.4.2.1. Impresión 3D ...................................................................................................44

3.4.2.2. Torneado .........................................................................................................45

3.5. Análisis estadístico .................................................................................................46

3.6. Conclusiones..........................................................................................................47

4. APLICACIONES Y ANÁLISIS DE RESULTADOS .........................................................49

4.1. Introducción ...........................................................................................................49

4.2. Aplicaciones ...........................................................................................................49

4.2.1. Equipo experimental para los experimentos 1 y 2 ...........................................49

4.2.2. Equipo experimental para los ensayos de torneado ........................................54

4.2.3. Definición de los experimentos ........................................................................59

4.2.3.1. Experimento 1 .................................................................................................59

4.2.3.2. Experimento 2 .................................................................................................61

4.2.3.3. Ensayos de torneado ......................................................................................64

4.3. Análisis de resultados ............................................................................................66

4.3.1. Resultados de rugosidad superficial del experimento 1 ...................................66

4.3.2. Análisis estadístico del experimento 1 .............................................................67

4.3.3. Resultados de rugosidad superficial del experimento 2 ...................................74

4.3.4. Análisis estadístico del experimento 2 .............................................................75

4.3.5. Resultados de rugosidad superficial de los ensayos de torneado ...................78

4.3.6. Análisis de resultados de las probetas torneadas ............................................80

5. Conclusiones y trabajos futuros .....................................................................................83

5.1. Conclusiones..........................................................................................................83

5.1.1. Conclusiones de carácter general ...................................................................83

5.1.2. Conclusiones de carácter particular ................................................................84

5.2. Trabajos futuros .....................................................................................................85

Bibliografía ...........................................................................................................................88

Mercedes Pérez Jiménez Análisis comparativo de la calidad superficial de piezas fabricadas mediante mecanizado y fabricación aditiva

1 Escuela Politécnica Superior de Jaén

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Planteamiento

A lo largo de la historia, el hombre ha tenido la necesidad de fabricar para poder

satisfacer sus menesteres. Con el desarrollo y la innovación tecnológica, se han ido

mejorando los distintos procesos de fabricación convencionales, pudiendo obtener

productos con una buena calidad, coste y rendimiento. Por otro lado, han ido

apareciendo y creándose nuevos conceptos de producción como la fabricación aditiva.

La fabricación aditiva, también llamada impresión 3D, lleva presente alrededor

de 30 años y ha ganado interés público y comercial, debido a que proporciona ventajas

como imprimir todo en una pieza sin necesidad de ensamblar. La fabricación

convencional, como el mecanizado, empieza a dar paso a estas nuevas tecnologías

(Oropallo y Piegl, 2016). Aun así, la fabricación aditiva presenta limitaciones, por lo

que es necesario el estudio y la comparación entre la fabricación convencional, el

mecanizado, y una fabricación más innovadora, la impresión 3D.

El mecanizado es una tecnología convencional, extendida y madura que ofrece

ventajas como no tener limitaciones de tamaño y el coste, además de obtener buenos

acabados superficiales y una alta precisión, dos características limitantes todavía en

la impresión 3D (Noorani, 2018).

El logro de una calidad predefinida con un equipo dado, coste y tiempo limitado,

puede definirse como el problema general de la fabricación (Benardos y Vosniakos,

2003).



1.2. Motivación y objetivos

Uno de los requisitos principales de un producto es una buena calidad superficial,

concretamente una baja rugosidad. Hay un gran número de publicaciones sobre

estudios de la rugosidad superficial que se obtiene con distintos procesos de

mecanizado y materiales. Sin embargo, el número de publicaciones es limitado

cuando trata sobre la rugosidad superficial obtenida mediante fabricación aditiva.

La fabricación aditiva es contraria al mecanizado, mientras una añade capas la

otra las elimina. La fabricación aditiva ha tenido un alto impacto en la sociedad e

industria, aunque todavía se deben abordar ciertos desafíos, como obtener una buena

rugosidad superficial. Por ello, entre otras razones, el mecanizado como proceso de

fabricación sigue siendo de gran importancia para la industria.

El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) intenta aportar conocimiento en un

tema que ha sido tratado en la literatura científica de manera limitada. Así, se pretende

desarrollar un estado del arte detallado sobre la fabricación aditiva y mecanizado,

centrado en el estudio de la calidad superficial. Adicionalmente, se llevará a cabo un

estudio experimental comparativo sobre la rugosidad superficial obtenida en impresión

3D y en mecanizado.

Los objetivos que se plantean pueden dividirse en objetivos de carácter general

y de carácter particular. Así, el objetivo de carácter general es el estudio y análisis

comparativo entre fabricación aditiva y sustractiva, identificando las diferencias entre

las calidades superficiales que se obtienen. Para poder alcanzar dicho objetivo

general, se plantean los objetivos particulares, relacionados con el estado del arte, de

conocer: fundamentos de la calidad superficial, categorías de procesos en fabricación

aditiva y mecanizado, materiales aptos, rugosidades superficiales obtenidas en

diferentes materiales mediante fabricación aditiva y mecanizado. Además, otro de los

objetivos particulares es el planteamiento de una metodología que permita llevar a

cabo satisfactoriamente los experimentos y ensayos, así como conocer la influencia

de distintos factores de fabricación aditiva sobre la rugosidad superficial y comparar

las rugosidades superficiales obtenidas en fabricación aditiva y con un post-procesado

de mecanizado, mediante experimentación y análisis estadístico.



1.3. Estructura

Este Trabajo Fin de Grado consta de 5 capítulos y una bibliografía, cuyo

contenido y títulos se muestran a continuación:

Introducción: se establece el contexto general del estudio, motivación y objetivos

que se persiguen con la investigación y la estructura dada al TFG.

Estado del arte: se presenta toda la información relacionada con los temas

fundamentales a abordar en el estudio: definiciones y mediciones sobre la calidad

superficial, reseña histórica, categorías de procesos, materiales y rugosidades en

fabricación aditiva y mecanizado y rugosidades superficiales obtenidas en diferentes

estudios de fabricación aditiva y sustractiva. Dicha información se obtiene tras un

estudio exhaustivo de la bibliografía.

Metodología: se expone la estrategia empleada para realizar la parte

experimental del TFG. Se emplea un diseño experimental que a partir de una

planificación de experimentos nos permite recoger datos apropiados para un posterior

análisis estadístico, dando resultados válidos y conclusiones objetivas.

Aplicaciones y análisis de resultados: se presenta todo el desarrollo práctico del

diseño experimental expuesto en el punto anterior. En este apartado se definirán los

equipos experimentales empleados en el desarrollo, se le darán valores a los factores

seleccionados para el plan de experimentos y se hará un estudio detallado de los

resultados obtenidos con representaciones gráficas y análisis estadístico.

Conclusiones y trabajos futuros: recoge las conclusiones obtenidas del TFG,

tanto de carácter general como de carácter particular. También se recogen las líneas

de actuación de posibles desarrollos futuros, así como trabajos que han tenido lugar

a raíz de este TFG.



2. ESTADO DEL ARTE

2.1. Introducción

Los procesos de fabricación tienen como propósito obtener unas determinadas

características referidas a la calidad, costes y tiempo. Con dichos propósitos, los

ingenieros e ingenieras se enfrentan a dos problemas. El primero es aumentar el

rendimiento del proceso de fabricación y el segundo obtener la calidad deseada

mediante la determinación de los valores de los parámetros que intervienen en el

sistema (Yamazaki, 2016).

El avance tecnológico reduce largos pasos de la fabricación industrial tradicional

(Adel et al., 2018). Así por ejemplo, hoy en día la fabricación aditiva es una tecnología

que se está expandiendo rápidamente en una serie de sectores industriales. Aunque,

todavía tiene inconvenientes como la baja productividad, una baja calidad e

incertidumbre de las propiedades mecánicas obtenidas (Bikas et al., 2016).

Las nuevas tecnologías, como la fabricación aditiva, capacitarán a las personas

y colectivos sociales a llevar a cabo su propia investigación y actividades innovadoras.

La Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) (2016)

identifica a las impresoras 3D como uno de los productos simbólicos para la

Generación Z, como lo fueron los automóviles, televisión, ordenadores y dispositivos

móviles para las generaciones anteriores. Ahora se está ante una revolución industrial,

la Industria 4.0, en la que la fabricación aditiva desempeña un papel de gran

importancia. Para ello se debe hacer un estudio y desarrollo de los materiales,

procesos y problemas de diseño, para poder fabricar productos personalizados con

alta calidad en fábricas inteligentes de alta eficiencia con una integración ciberfísica,

que es lo que propone la Industria 4.0 (Dilberoglu et al., 2017).



2.2. Calidad superficial

En la industria se tiene la necesidad de alcanzar una calidad superficial

adecuada para cada producto. La falta de conformidad de las piezas puede llevar a

incurrir en pérdidas económicas. Por ello, se deben identificar y estudiar los distintos

parámetros que intervienen en los procesos de fabricación, para garantizar la validez

de un producto, aunque no se puedan controlar numerosos factores que tienen

influencia en el resultado final de la rugosidad superficial (Diamoutene et al., 2018)

(Benardos et al., 2003).

2.2.1. Definiciones básicas

Las irregularidades superficiales comprenden dos grupos de errores, los macro-

geométricos y los micro-geométricos. Los errores macro-geométricos son errores que

se pueden verificar con instrumentos de medición convencionales y engloban

divergencias de ondulaciones, planicidad, ovalización, circularidad, rectilineidad, etc.

El otro grupo, los errores micro-geométricos, son los errores conocidos como

rugosidad (Alves et al., 2011) (Benardos et al., 2003).

La rugosidad se refiere a la desviación de un tercer hasta un sexto orden

respecto a la superficie, es decir, irregularidades superficiales que caracterizarán la

calidad superficial. El orden de desviación se encuentra recogido en las normas

internacionales ISO 4287 (UNE-EN ISO 4287:1997, 1999) e ISO 4288 (UNE-EN ISO

4288:1996, 1998); refiriéndose las desviaciones de primer y segundo orden a la forma,

las de tercer y cuarto orden a muescas periódicas, y las de quinto y sexto orden a la

estructura del material. Estas desviaciones se pueden ver representadas en la Figura

2.1.



Figura 2.1: Desviaciones de forma (DIN 4760, 1982).

La rugosidad superficial en el mecanizado ha sido ampliamente estudiada. A

continuación, se muestran cuatro categorías para clasificar los distintos enfoques

sobre la rugosidad superficial en la fabricación sustractiva (Benardos et al., 2003):

Enfoques que se basan en la teoría de mecanizado para desarrollar

modelos analíticos y/o algoritmos para representar la superficie

mecanizada.

Enfoques que examinan los efectos de varios factores a través de la

ejecución de experimentos y el análisis de resultados.

Enfoques que usan diseño de experimentos.

Enfoques de inteligencia artificial.

Para cuantificar, definir y medir la rugosidad se emplean parámetros básicos que

se definen a continuación (Lakić et al., 2014) (UNE-EN ISO 4287:1997, 1999):

Longitud de muestreo (L): longitud en el eje X, empleada para identificar las

irregularidades que caracterizan el perfil de evaluación de la pieza.

Ancho de cresta (K): distancia entre dos picos contiguos.



Rugosidad media (Ra): es la desviación media aritmética de los valores absolutos

de las ordenadas Z(x) comprendidas en una longitud de muestreo L. Es un criterio

básico de rugosidad.

𝑅𝑎 =1

𝑙∫ |𝑍(𝑥)|𝑑𝑥

𝑙

0

(Fórmula 2.1)

Rugosidad máxima (Rt): es la desviación máxima entre pico y valle en una

longitud de muestreo L.

𝑅𝑡 = 𝑧𝑚𝑎𝑥 − 𝑧𝑚𝑖𝑛 (Fórmula 2.2)

Altura media de diez puntos de irregularidades (Rz): es la distancia media entre

cinco picos y cinco valles de la longitud de muestreo L.

𝑅𝑧 =𝑅1 + 𝑅3 + ⋯ + 𝑅𝑚 − (𝑅2 + 𝑅4 + ⋯ + 𝑅𝑛)

5 (Fórmula 2.3)



Figura 2.2: Parámetros básicos del perfil de rugosidad (UNE-EN ISO 4287:1997, 1999).

La desviación media aritmética es el valor más empleado para la evaluación de

la rugosidad superficial (Sanz et al., 2013). Así, generalmente es el parámetro

empleado como referencia por la industria y los investigadores. Por ello, se usa como

referencia la rugosidad media (Ra) y junto a la rugosidad medida en diez puntos de

irregularidades (Rz) para clasificar la aspereza de la superficie en doce clases como

se puede ver en la Tabla 2.1 (Lakić et al., 2014).



Clase de rugosidad

Valor más alto Ancho de

cresta (mm)

Ra (μm) Rz (μm)

N1 0,025 0,1 0,006

N2 0,05 0,2 0,0125

N3 0,1 0,4 0,025

N4 0,2 0,8 0,05

N5 0,4 1,6 0,1

N6 0,8 3,2 0,2

N7 1,6 6,3 0,4

N8 3,2 12,5 0,8

N9 6,3 25 1,6

N10 12,5 50 3,2

N11 25 100 6,3

N12 50 200 12,5

Tabla 2.1: Clases de rugosidad y ancho de cresta correspondiente (Lakić et al., 2014).

2.2.2. Medición de la rugosidad

La calidad superficial es un problema tridimensional, por lo que la determinación

de la rugosidad presenta un problema técnico complejo. Por esta razón, se deben usar

varios criterios de evaluación de rugosidad, siendo los métodos para medir la

rugosidad superficial, métodos cuantitativos (Lakić et al., 2014). Como existe una gran

gama de métodos para el estudio de la textura superficial, la ISO (del inglés

International Organization for Standardization, ISO) trata la clasificación de métodos

para medir la calidad superficial (UNE-EN ISO 25178-6:2010, 2010).

Para tener un control de la textura superficial se realiza un muestreo estadístico

de la superficie en diferentes tramos, haciendo una comparación entre el perfil teórico

y real de la pieza. Este perfil real no se determina de forma exhaustiva, ya que sería



costoso e innecesario. Para intentar obtener dicho perfil, una forma común, es

recorrerlo con un palpador que, con los cambios de altura debidos a las irregularidades

superficiales de una sección de la pieza, genera señales eléctricas proporcionales a

dichos cambios. El perfil obtenido, por este medio, es un perfil efectivo que se

aproxima y se obtiene a partir del perfil real. Para eliminar ondulaciones (señales de

baja frecuencia o de onda larga) y rugosidades (señales de alta frecuencia o de onda

corta), así como otras irregularidades más concretas, el perfil efectivo pasa por

diferentes filtros, que separan dicho perfil en componentes de longitud de onda larga

y componentes de longitud de onda corta (Company et al., 2007) (Lakić et al., 2014)

(UNE-EN ISO 4287:1997,1999).

Los perfiles y filtros vienen definidos por la Norma ISO 4287 (UNE-EN ISO

4287:1997, 1999):

Filtro de perfil λs: define la separación entre las componentes de rugosidad y las

componentes de longitud de onda más corta, presentes en la superficie.

Filtro de perfil λc: define la separación entre las componentes de rugosidad y las

componentes de ondulación de onda largas, presentes en la superficie.

Filtro de perfil λf: define la separación entre las componentes de ondulación y las

componentes de longitud de onda aún más largas, presentes en la superficie.

Figura 2.3: Características de transmisión de los perfiles de rugosidad y de ondulación (UNE-EN ISO 4287:1997, 1999).



Perfil primario (P): es la mejor aproximación del perfil real que se puede medir

con el procedimiento empleado, es decir, es el perfil efectivo aplicándole el filtro para

longitudes de onda cortas λs.

Perfil de rugosidad (R): se obtiene a partir del perfil primario eliminando las

características del perfil de longitudes de onda largas con el filtro λc.

Perfil de ondulaciones (W): derivado del perfil primario por medio de la aplicación

sucesiva de los filtros λc (longitudes de onda largas) y λf (longitudes de onda aún más

largas).

Figura 2.4: Perfiles característicos de la rugosidad superficial.

Para la determinación de la textura superficial, los estudios estadísticos tienen

una gran importancia, por ejemplo la descripción de texturas utilizando niveles de gris

de una imagen con matrices de co-ocurrencia, conocidas como descriptores de

Haralick et al., (1973).

Por otro lado, se ha desarrollado software para la medición y el estudio de los

acabados superficiales en la industria. Bui et al., (2004) presentan el desarrollo de un



sistema de análisis de superficies mediante la evaluación y validación de parámetros

y algoritmos, en una base de datos digital del Instituto Nacional de Estándares y

Tecnología (del inglés National Institute of Standards and Technology, NIST) de

Estados Unidos. Dinis et al., (2016) exponen un software para la creación de

rugosidades y estructuras porosas en cualquier geometría apoyándose en la

fabricación aditiva, debido a las ventajas que pueden llevar consigo este tipo de

acabados superficiales en implantes ortopédicos y dentales.

2.3. Fabricación aditiva

2.3.1. Reseña histórica

La idea de fabricación aditiva tiene más de 100 años, cuando Joseph E. Blanther

en 1892 diseñó un método para producir mapas topográficos de contorno mediante el

corte de hojas de cera y apilarlas a continuación. Esta idea se aplicó hace 30 años a

un proceso para realizar, inicialmente, maquetas de piezas o prototipos de plástico

durante el desarrollo de la pieza final, dando lugar al concepto de fabricación aditiva

que se tiene en la actualidad. Ahora es un área mucho más desarrollada y con una

alta previsión de crecimiento, existiendo distintos procesos, como sinterización

selectiva con láser (del inglés Selective Laser Sintering, SLS) o modelado por

deposición fundida (del inglés Fused Deposition Modeling, FDM) y aplicaciones, como

prototipado rápido, recubrimiento, soldadura, unión, etc. (Rietzel et al., 2017) (Hallgrën

et al., 2016).

Charles Hull, fundador de 3D Systems, es considerado el creador de la impresión

3D. Su primera patente la obtuvo en 1984 para su aparato de estereolitografía (SLA),

el cual se emplea para fabricar prototipos utilizando luz ultravioleta para curar la resina

de un fotopolímero en una cuba. A principios de la década de 1980, el diseño asistido

por ordenador CAD (del inglés Computed Aided Design, CAD) no estaba muy

desarrollado, teniendo Hull la necesidad de transferir el archivo CAD en un formato

que la impresora 3D pudiese interpretar e imprimir. Así, se desarrolló el formato de

archivo de estereolitografía (del inglés Standard Triangle Language, STL) que

cualquier máquina 3D puede usar (Noorani, 2018) (Bourell et al., 2017).



En 1989, Scott Crup diseñó el proceso de modelado por deposición fundida,

FDM. Para la máquina de FDM, desarrolló materiales de acrilonitrilo butadieno

estireno, ABS (del inglés Acrylonitrile Butadiene Styrene, ABS), utilizados en la

actualidad para la mayoría de impresoras 3D. Carl Deckard y Joe Beaman

desarrollaron, a mediados de la década de 1980, un proceso de sinterización selectiva

con láser, SLS, siendo ésta la única tecnología del momento capaz de fabricar

prototipos con metales (Noorani, 2018) (Rietzel et al., 2017).

En 2005, se inició la revolución de impresión 3D con el proyecto llamado

RepRap, cuyo objetivo es crear una máquina que pueda replicarse a sí misma.

Gracias a apoyos gubernamentales, empresarios y aficionados, y el avance de la

tecnología informática, la electrónica y el software, la fabricación aditiva está en pleno

desarrollo (Noorani, 2018) (Bourell et al., 2017).

Con el avance de la industria 4.0, se está fomentando la integración de sistemas

de producción inteligentes y tecnologías avanzadas. La fabricación aditiva juega un

papel de gran importancia en este movimiento, teniendo un futuro prometedor y con

un impacto impredecible sobre la industria tradicional (Dilberoglu et al., 2017) (Lu et

al., 2015).

En la Tabla 2.2 se recogen las principales tecnologías de fabricación aditiva

desarrolladas en las últimas décadas junto a su año de invención.

https://en.wikipedia.org/wiki/Acrylonitrile_butadiene_styrene



Nombre en la norma Nombre alternativo Año de

invención

Fotopolimerización en tanque o cuba (VPP)

Estereolitografía (SLA) 1984

Curado sólido en la base (SGC)

1986

Producción de interfaz líquida continua (CLIP)

2015

Fusión en lecho de polvo (PBF)

Sinterizado selectivo con láser (SLS)

1986

Fusión por multichorro -

Sinterizado selectivo por calor 2008

Extrusión de material

Modelado de deposición fundida (FDM)

1989

Fabricación de filamentos fundidos (FFF)

1989

Laminado de hojas de material (SML)

Fabricación de objetos laminados (LOM)

1996

Proyección de aglutinante

Unión selectiva o impresión 3D

1989

Proyección de material

Chorro de cera 1989

Inyección de polímero o formación libre

2013

Tabla 2.2: Procesos de fabricación aditiva y años de invención (Rietzel et al., 2017).



2.3.2. Categorías de procesos

El término de fabricación aditiva se refiere a las tecnologías que crean objetos

mediante la adición sucesiva de material. La norma ISO/ASTM 52900 (UNE-EN

ISO/ASTM 52900:2017) lo define como el proceso de unir materiales para hacer

partes a partir de datos del modelo 3D, generalmente capa sobre capa, en oposición

a la fabricación sustractiva.

Los procesos de fabricación aditiva tienen en común las siguientes

características: un ordenador para almacenar y procesar información geométrica y

para guiar al usuario, y un material de deposición que es procesado por puntos, líneas

o áreas para crear partes (Bourell et al., 2017).

Según la norma ISO/ASTM 52900 (UNE-EN ISO/ASTM 52900, 2017), las

categorías de procesos de fabricación aditiva se dividen de la siguiente forma:

Proyección de aglutinante: un agente líquido aglutinante se deposita

selectivamente para unir materiales en polvo.

Deposición de energía focalizada: se utiliza energía térmica focalizada

para unir materiales mediante fusión, a medida que se depositan.

Extrusión de material: el material se dispensa a través de una boquilla o

un orificio.

Proyección de material: se depositan selectivamente gotas del material de

fabricación.

Fusión de lecho de polvo: la energía térmica funde selectivamente ciertas

zonas de un lecho de polvo.

Laminado de hojas: el material en forma de láminas u hojas se une para

formar un objeto.

Fotopolimerización en tanque o cuba: un fotopolímero líquido se cura

selectivamente en una cuba mediante polimerización activada por luz.

https://www.aenor.es/aenor/normas/normas/fichanorma.asp?tipo=N&codigo=N0059196&PDF=Si




2.3.3. Materiales

Para cualquier proceso de fabricación, la materia prima seleccionada debe ser

compatible con el proceso en cuestión, además de tener unas propiedades aceptables

para llevar a cabo su aplicación de forma exitosa. En fabricación aditiva, para la

producción de piezas que requieren tolerancias más estrechas, se suele hacer un

post-procesamiento para mejorar su microestructura, reducir porosidad y rugosidad,

para que cumplan con las tolerancias geométricas y estructurales necesarias (Bourell

et al., 2017).

Con fabricación aditiva se pueden realizar piezas de geometría compleja con

materiales cerámicos, compuestos, metales y plásticos. Dependiendo del proceso de

fabricación aditiva que se vaya a emplear se hará uso de unos materiales u otros, que

sean adecuados o estén destinados para dicho proceso (Chua et al., 2017).

El tipo de material empleado en la fabricación afecta directamente en la forma,

las dimensiones, las aplicaciones, la durabilidad y el coste. En la industria, la

fabricación de los productos, se realiza a partir de uno o múltiples materiales. En

fabricación aditiva la selección de materiales todavía es limitada, teniendo buenas

expectativas en la próxima generación de impresoras 3D que debe tener métodos

mejorados de procesamiento, para poder producir con una mayor gama de materiales.

En general, hay tres categorías principales de materiales; son materiales basados en

líquidos, en sólidos y en polvo. Cada una de estas tres categorías tiene diferentes

tipos de materiales, como cerámica, compuestos, metales y polímeros (Noorani, 2018)

(Bikas et al., 2016). En la Tabla 2.3 se presentan los principales materiales empleados

en fabricación aditiva junto a la categoría de proceso que los utiliza.



Extrusión

de material

Fotopolimerización en tanque

Proyección de material

Fusión de lecho de polvo

Proyección de

aglutinante

Laminado de hojas

Deposición de energía focalizada

ABS, policarbonato, PC/BS mezcla, PLA,

polieterimida X

Acrílicos, acrilatos, epóxicos

X X

Poliamida (nylon), poliestireno,

polipropileno, poliéster (‘’flex’’),

polieteretercetona (PEEK), poliuretano

termoplástico (elastómero)

X

Aleaciones de aluminio

X X X X

Aleaciones Co-Cr, aleaciones de níquel

X X X

Oro, plata X

Acero inoxidable, Ti-6Al-4V

X X X X

Acero para herramientas

X X X

Tabla 2.3: Materiales actuales comerciales para fabricación aditiva por categoría de proceso (Basada en Bourell et al., 2017).

2.3.4. Rugosidad

Las piezas producidas mediante fabricación aditiva presentan limitaciones en el

acabado superficial, ya que tienen una rugosidad superficial elevada después del

proceso de fabricación. Estas limitaciones están relacionadas con los aspectos

térmicos y mecánicos, ya que el material se enfría rápidamente llevando a distorsiones

y tensiones, ocasionando problemas en las áreas de la pieza cargadas cíclicamente

o muy tensionadas (Bagehorn et al., 2017) (Boschetto y Bottini, 2015).

Por otro lado, la calidad superficial, también depende de la orientación de la

pieza, grosor de capa y la orientación de la deposición del material (Boschetto y Bottini,

2015). Para obtener mejores resultados, varios investigadores estudiaron estos

parámetros y diferentes técnicas de post-procesamiento para mejorar el acabado

(Kantaros y Karalekas, 2013) (Kumbhar y Mulay, 2016).



Para obtener las superficies requeridas se optimizan los parámetros del proceso

haciendo en la etapa inicial distintas combinaciones en el archivo STL, referentes a la

orientación de la pieza, orientación de construcción y espesor de capa, para obtener

unos buenos requisitos de salida; y para un mejor acabado, se hace uso de

operaciones posteriores, como operaciones de mecanizado, abrasión y

micromecanizado y mecanizado por láser (Kumbhar y Mulay, 2016).

Para poder obtener una rugosidad satisfactoria, se puede modificar la orientación

de construcción de la pieza. De este modo, se podrá comparar en una previsualización

distintas rugosidades que se obtendrían dependiendo de la orientación. De este modo,

el modelo de la pieza será reorientado usando una optimización del algoritmo

apropiado (Campbell et al., 2002).

Por otro lado, el efecto escalera, producido por la adicción de capas

característica de estos procesos, no se puede controlar con dicha optimización de

parámetros y se tiene que minimizar con operaciones de post-procesamiento. Este es

un problema común en los diferentes procesos, lo que implica que la altura de capa

afecta significativamente a la rugosidad superficial. Reduciendo la altura de capa se

puede minimizar dicho efecto y obtener una mejor rugosidad, sin embargo esto implica

un incremento en el tiempo de fabricación (Figura 2.5). Este incremento en el tiempo

no siempre es rentable, por lo que se recurre a tratamientos de post-procesamiento

superficial (Campbell et al., 2002) (Kumbhar y Mulay, 2016).

Figura 2.5: Efecto escalera



El efecto escalera afecta notablemente a la calidad superficial, sobre todo en las

piezas fabricadas por modelado de deposición fundida (FDM) ya que el grosor más

utilizado de filamento es de 0,254 mm y sólo para algunos materiales de 0,127 mm;

valores altos en comparación de otras tecnologías como estereolitografía (0,05 mm),

sinterización selectiva por láser (0,02 mm), impresión 3D (0,05 mm) o procesos de

inyección (0,016 mm), como podemos ver en la Tabla 2.4 (Boschetto y Bottini, 2015).

Nombre del proceso

Altura de capa mínima

(mm)

Rugosidad superficial media (Ra)

(μm)

Inyección de polietileno

0,1 3-30

SLA 0,1 2-40

LOM 0,114 6-27

SLS 0,125 5-35

Impresión 3D 0,175 12-27

FDM 0,254 9-40

Tabla 2.4: Rugosidad superficial media de las técnicas de fabricación aditiva (Kumbhar y Mulay, 2016).

Las piezas construidas mediante fusión de lecho de polvo tienen una gran

rugosidad causada por partículas de polvo que se pegan en el contorno de la

superficie fundida durante el proceso. Estas morfologías de superficie heterogéneas

causan grietas, muescas y afectan negativamente a la resistencia a fatiga (Bagehorn

et al., 2017). El análisis del efecto de la potencia del haz, la velocidad del haz y el

ángulo de proyección sirve para comparar los parámetros que afectan a la rugosidad

y a las características de la superficie (Fox et al., 2016).



2.3.5. Procedimiento a seguir

Todas las piezas fabricadas con los procesos de impresión 3D actuales, tienen

varios pasos en común en el procedimiento de fabricación. En primer lugar se crea un

modelo CAD sólido o de superficie de la pieza y se convierte en un formato de archivo

que el software de la máquina pueda leer. Este formato suele ser STL, aunque la ISO

10303 promueve el Estándar para el Intercambio de Productos (del inglés Standard

for the Exchange of Product, STEP), esto transforma una superficie compleja de CAD

en una superficie aproximada con triángulos, para poder dividirlos con mayor facilidad

en dos cortes bidimensionales que luego se reproducen físicamente con el proceso

de fabricación aditiva (Boschetto et al., 2016). A continuación, se secciona la pieza

electrónicamente en capas con un espesor determinado y se genera la trayectoria de

la herramienta. La información de cada sección en capas se transmite a la máquina

de forma electrónica, procesando así capa por capa hasta que la pieza es completada

(Noorani, 2018) (Rietzel et al., 2017). Los pasos seguidos para la fabricación de una

pieza en impresión 3D incluyen los mostrados en la Figura 2.6 (Noorani, 2018).

Figura 2.6: Cinco pasos del proceso de impresión 3D (basado en Noorani, 2018).

Creación del modelo

sólido

Conversión en archivo

STL

Procesamiento rápido

•Validez y reparación del modelo

•Proceso de corte de archivos STL

Proceso de impresión 3D

Post-procesado



2.4. Mecanizado

2.4.1. Reseña histórica

Debido a la introducción del vapor y de la electricidad como fuentes de energía

y el desarrollo metalúrgico de los aceros aleados, empezaron a surgir nuevas

máquinas-herramienta en la industria en los siglos XVIII y XIX. Una de las

contribuciones más importantes a esta industria vino por John Wilkinson en 1774.

Wilkinson construyó una máquina de precisión para perforar los cilindros de un motor,

superando un problema de tolerancias superficiales requeridas para la máquina de

vapor. En 1794, Henry Maudsley desarrolló un torno paralelo con portaherramientas

deslizante, añadiéndose años más tarde el husillo y el cambio de velocidades. En el

siglo XIX se crearon distintas máquinas de fresado, por ejemplo, alrededor de 1818

por parte de Eli Whitney introduciendo años más tarde, en 1862 aproximadamente,

una fresadora para ranuras, cola de milano, ranuras en T y superficies planas. En

1862, se construyó una fresadora universal por Joseph R. Brown. Desde finales del

siglo XIX y durante el siglo XX, las máquinas-herramienta experimentaron un gran

desarrollo, empleando fundamentalmente electricidad en lugar de vapor (El-Hofy,

2005) (Kohser et al., 1988).

En el mecanizado por métodos convencionales, el operador juega un papel

importante, ya que determina la estrategia a seguir, configura la máquina, selecciona

herramientas, velocidades y avances, y manipula la máquina para realizar el arranque

de material. Por dichas circunstancias, la precisión y las calidades superficiales

obtenidas no eran satisfactorias. Con la introducción de técnicas de copiado y

mecanismos automáticos se consiguió elevar la precisión de los productos. A

comienzos de la década de 1950 se introdujo la tecnología de control numérico (CN)

por el Instituto Tecnológico de Massachusets, mejorando la precisión del producto y

la uniformidad. En 1958 ya se comercializaban estos centros de mecanizado, capaces

de ejecutar varios procesos. Una década después, estas máquinas se convirtieron en

máquinas-herramienta de control numérico por ordenador (del inglés Computer

Numerical Control, CNC) (El-Hofy, 2005) (Kohser et al., 1988).



2.4.2. Categorías de procesos

El mecanizado consiste en producir componentes con una geometría

determinada y características de superficie mediante arranque de material, de forma

rápida y económica. Es un proceso de fabricación convencional en el que el ingeniero

o ingeniera tiene que aplicar teorías de corte y su propia experiencia para buscar unas

condiciones óptimas (Yamane et al., 2017).

Entre los principales procesos de mecanizado convencional se destacan los

siguientes (Tschätsch, 2009) (ASM, 1989):

Torneado: se define como una tecnología de corte en la cual el

movimiento de corte es llevado a cabo por la pieza, mientras que la

herramienta realiza el movimiento de avance y penetración, generando

superficies de revolución.

Taladrado: es un procedimiento de corte diseñado para generar agujeros

con una herramienta de corte. El taladrado es generalmente el método

más económico y eficiente de perforación.

Fresado: es un proceso de mecanizado en el que se elimina material

mediante una herramienta de varios filos. Durante el fresado, la

herramienta realiza el movimiento de corte, mientras que, generalmente,

la pieza de trabajo ejecuta el movimiento de avance y penetración.

Rectificado: es un proceso de corte en el que una herramienta compuesta

por partículas abrasivas elimina material de la pieza de trabajo. Las

técnicas de rectificado se clasifican según la forma de la pieza de trabajo

en rectificado frontal o cilíndrico, o según el montaje, como rectificado

entre centros o sin centro.



2.4.3. Materiales

En aplicaciones de ingeniería es habitual el uso de diversos materiales,

usualmente aleaciones. Estas aplicaciones dependerán fundamentalmente de las

propiedades de los materiales y de las necesidades específicas de determinados

sectores industriales: ligereza, resistencia al desgaste, etc. En la Tabla 2.5 se

muestran algunas aplicaciones de diversos materiales en varias aplicaciones

industriales (Childs et al., 2000).

Aleación Ingeniería

general Automotor Aeroespacial

Proceso de ingeniería

Información tecnológica

Aceros al carbono y aleaciones

Fijadores de

estructuras, tren de fuerza, sistema

hidráulico

Tren de fuerza,

suspensión, fijadores

hidráulicos

Tren de fuerza,

control y tren de aterrizaje

Estructuras Eje de

impresora y mecanismos

Aceros inoxidables

Para la resistencia

a la corrosión

Cuchillas de

turbina

Para la resistencia a la

corrosión

Aluminio Estructuras Bloque del

motor y pistones

Fuselaje, revestimiento

Para la resistencia a la

corrosión

Espejos de escáneres,

sustratos de disco

Cobre Para la

resistencia a la corrosión

Níquel Cuchillas y discos de

turbina

Intercambiadores de calor y

resistencia a la corrosión

Titanio Compresor/ estructuras

Resistencia a la corrosión

Tabla 2.5: Actividades de mecanizado por aleación de material y sector industrial (Childs et al., 2000).



Generalmente, estos materiales son sometidos a procesos de mecanizado

durante su procesado. Por ello, resulta de interés definir criterios que permitan evaluar

la idoneidad de un material a ser mecanizado como la maquinabilidad. La

maquinabilidad de los metales interviene en el coste y en la producción de

componentes. Esto influye en distintos aspectos, como la energía consumida, la forma

de la viruta, la superficie final y la vida de la herramienta. Característica como un bajo

consumo de energía, un tamaño de viruta corta, un acabado suave y una larga vida

de la herramienta definen una buena maquinabilidad (Childs et al., 2000). Por ejemplo,

el hierro fundido y el aluminio se mecanizan fácilmente. Otros metales, como el acero

inoxidable o el titanio, son difíciles de mecanizar ya que se requieren altas fuerzas de

corte o se obtienen malos acabados superficiales, aunque cumplen otros criterios de

diseño de funcionalidad. Un acero con bajo contenido de carbono puede mostrar más

problemas en el mecanizado con respecto a algunos aceros aleados (ASM, 1989) (Ilio

y Paoletti, 2012).

A la aptitud del material para ser mecanizado le afectan parámetros como el

proceso de conformado de la pieza de trabajo o la herramienta que se emplea para el

arranque de material. Un hierro de fundición gris ofrece menor dificultad en el

mecanizado que el mismo material vertido en un troquel. Por lo tanto, debido a

diferentes métodos y condiciones de operación, así como características de la

herramienta, el concepto de maquinabilidad no es fácilmente medible y comparable

(Ilio y Paoletti, 2012).

La tasa de eliminación de material está determinada por la dureza del material

además de la forma. AISI (del inglés American Iron and Steel Institute, AISI) establece

una calificación de maquinabilidad para comparar la dificultad de corte de diferentes

materiales, incluyendo costes y desgaste de herramienta. Una dureza Brinell de 160

tiene una clasificación AISI de 1,00; valores inferiores de 1,00 indican que el coste de

mecanizado del material es superior y para valores más altos el coste es menor

(Hällgren et al., 2016).



2.4.4. Rugosidad

El torneado es uno de los procesos de mecanizado más habituales y la rugosidad

superficial ha sido ampliamente estudiada. Por ello, resulta un proceso adecuado para

comparar con la fabricación aditiva. En el torneado se definen dos rugosidades:

rugosidad en la dirección de corte y rugosidad en la dirección de avance. Es más

común emplear la rugosidad en la dirección de avance para evaluar la rugosidad

superficial, ya que suele ser más significativa (Yamane et al., 2017). Dentro de los

parámetros de torneado, diversos estudios sobre el torneado llegan a la conclusión de

que el avance es el factor que más afecta al resultado final de la rugosidad superficial.

Se demuestra que un aumento del avance es directamente proporcional al aumento

de la rugosidad (Carou et al., 2014a).

Por otro lado, la influencia de otros parámetros en la rugosidad superficial

también ha sido ampliamente estudiada. Por ejemplo, D’Addona et al., (2017)

relacionan el aumento de la velocidad de corte con una disminución de la rugosidad

superficial en un rango de 60-190 m/min, aumentando la rugosidad para una velocidad

en el rango de 190-255 m/min ya la herramienta se daña inmediatamente durante el

giro por la alta velocidad.

Existen diversos estudios sobre condiciones óptimas de lubricación/refrigeración

para obtener una buena calidad superficial. Por ejemplo, Butola et al., (2017) han

realizado estudios comparativos entre la rugosidad superficial obtenida en un torneado

en seco y húmedo, obteniendo peores resultados con un torneado seco.

Por otro lado, también se destacan numerosos estudios con diversos enfoques

estadísticos. Por ejemplo, Diamoutene et al., (2018) emplean un enfoque basado en

estadística de orden para estudiar la fiabilidad y la rugosidad en lotes de 5 piezas de

10 partes mecanizadas, obteniendo como mínimo de rugosidad superficial 1,79 μm y

un límite superior de rugosidad de 4 μm. Se considera una pieza defectuosa cuando

se supera el límite superior de rugosidad.

Con la demanda de piezas con superficies complejas y un mayor rendimiento en

su fabricación, viene el desarrollo de la tecnología, convirtiéndose la técnica de

mecanizado por CNC una herramienta muy usada al mismo tiempo que con



dificultades para obtener las especificaciones técnicas requeridas. La necesidad de

generar formas complejas con una alta precisión es habitual en distintos sectores

industriales avanzados, de alta tecnología. Por ejemplo, Jia et al., (2018), refiriéndose

al sector de ingeniería aeroespacial, hacen una revisión de los métodos de reducción

de error en el contorneado en máquinas de tres y cinco ejes, explicando la importancia

de la reducción de estos errores en componentes como palas de turbinas, motores de

cohetes y otros componentes, cuyo fallo o defecto serían críticos.

Yamane et al., (2017) clasifican los factores que intervienen en la rugosidad del

torneado según la dirección de avance y proponen un método de cálculo para

cuantificar la desviación entre la forma de la herramienta y la curva real de rugosidad,

llegando a la conclusión de ser posible evaluar cuantitativamente la inestabilidad del

corte.

2.4.5. Procedimiento a seguir

La planificación y control del proceso del mecanizado es crucial, comprendiendo

distintos temas a tratar, como la selección de herramientas y condiciones de corte

(Childs et al., 2000).

El principal objetivo del mecanizado es transformar una pieza de trabajo logrando

las especificaciones funcionales y geométricas requeridas. Este proceso comienza

desde el material base, que puede ser de materias primas y formas diferentes, o puede

ser un producto semiacabado; pasando por los siguientes pasos de forma general

(Lakić et al., 2014):

Analizar el material y geometría a mecanizar.

Escoger herramientas de corte apropiadas para el material y la geometría.

Elección de la máquina de mecanizado.

Realizar un plan de ejecución.

Mecanizar la pieza de trabajo.

Verificar la geometría y cumplimiento de las especificaciones.

https://0-www.sciencedirect.com.avalos.ujaen.es/science/article/pii/S0890695517301530#!



2.5. Comparación entre fabricación aditiva y mecanizado

Como ventajas de la fabricación aditiva se puede decir que tiene un rendimiento

adecuado en la producción de lotes pequeños y permite obtener piezas de

complejidad geométrica que antes no podían producirse con tecnologías tradicionales

sin una configuración elaborada de la máquina o un ensamblaje final (Boschetto et al.,

2016). Aun así, todavía no se considera como un proceso del todo viable, debido a

que supone un gasto de capital significativo, no se ha llegado a alcanzar un

rendimiento similar al de otros procesos convencionales y se obtienen piezas con poca

precisión. Este último inconveniente de precisión, conlleva normalmente a un

procesamiento posterior por medio de un tratamiento térmico y ajustes de rugosidad

superficial. Oropallo y Piegl (2016) presentan diez retos existentes en la impresión 3D,

debido a las limitaciones que posee esta tecnología, proponiendo abordarlas para que

este tipo de fabricación aditiva llegue a una etapa más madura con menos

restricciones.

Uno de los grandes logros de la fabricación por adición es la optimización del

proceso. GE Aviation, proveedor líder mundial de motores y componentes turbohélice

comerciales y militares, y de aviación general, así como de aviónica, energía eléctrica

y sistemas mecánicos para aeronaves, necesitaba fabricar una boquilla para el LEAP,

uno de los motores de reacción más vendidos por CFM International, empresa

formada por GE Aviation y Safran Aircraft Engines, dedicada al suministro de motores,

teniendo el problema de una geometría compleja y al menos 20 piezas para ser

soldadas. Gracias a la fabricación aditiva, mediante láser e impresión 3D se logró

obtener dicha boquilla con unos resultados satisfactorios. Se combinaron las 20 piezas

en una sola unidad, bajando el peso y siendo más duradera. En los años siguientes la

compañía pasó a fabricar un motor turbohélice avanzado obteniendo también unos

resultados satisfactorios. Al disminuir el peso de los componentes con este tipo de

fabricación disminuye el consumo de combustible logrando una mayor potencia

(General Electric, 2018).

En la Tabla 2.6 se muestran las diferencias características entre la fabricación

aditiva y el mecanizado. En algunos casos, como en la creación de paredes delgadas

o en la automatización del proceso, la fabricación aditiva es mejor frente al



mecanizado. Sin embargo, en otro tipo de características, la fabricación aditiva

presenta inconvenientes, como el acabado superficial.

Fabricación aditiva Mecanizado

Consolidación de piezas, conjunto completo fabricado

Muchas partes diferentes para el mismo conjunto deben fabricarse

individualmente

Aun relativamente costoso Barato debido al uso general y la

disponibilidad

Materiales especiales Materiales estándar

Normalmente no es la mejor precisión La alta precisión es fácilmente

alcanzable

En muchos casos, el acabado superficial no es óptimo

Excelente acabado superficial

Fiabilidad de maduración de las máquinas

En general, máquinas muy confiables

El tamaño de la pieza es una limitación Sin limitaciones de tamaño de pieza

Puede crear paredes delgadas Las paredes delgadas son difíciles de

crear

Longitud ilimitada de pequeños agujeros que conforman los canales de

enfriamiento

Difícil de crear pequeños agujeros y características

Las máquinas funcionan de forma autónoma

Las máquinas necesitan atención constante

Parte más compleja es más ahorro de costes se logra

Las partes complejas son muy caras

Pre-procesamiento automatizado El pre-procesamiento debe hacerse

manualmente

Tabla 2.6: Diferencias entre fabricación aditiva y mecanizado (Noorani, 2018).

También, para satisfacer los de acabado superficial, se ha llegado a la creación

de máquinas-herramienta híbridas multitarea que permiten construir con polvos

metálicos, componentes con geometrías cercanas a las requeridas para luego pasar

por operaciones de mecanizado, obteniendo así la forma final de la pieza con un



acabado de alta precisión. Estas máquinas híbridas se adecuan en la producción de

aleaciones aeroespaciales, materiales de alta dureza, herramientas de producción y

componentes de alta precisión, como dispositivos médicos (Yamazaki, 2016).

2.5.1. Rugosidades en metales

La gama de metales usados en fabricación aditiva se expande continuamente

con las entradas en el mercado de materiales nuevos (Bourell et al., 2017). Una de

las aleaciones más comercializadas es el Ti6Al4V, usada en la industria aeroespacial,

cuyas pautas estándar sobre acabado superficial son Ra entre 0,8 y 1,6 μm o incluso

más bajo para, por ejemplo, piezas rectificadas (ANSI/ASME B46.1-2009).

Fatemi et al., (2017) estudiaron las rugosidades superficiales obtenidas mediante

fusión en lecho de polvo por láser comparándolas con la rugosidad después de un

lijado y un mecanizado y pulido. Se obtuvieron valores de rugosidad media de 15,45

μm para el proceso de fabricación aditiva, 11,91 μm aplicándole un lijado y 0,12 μm

después de un mecanizado y pulido.

Bagehorn et al., (2017) hicieron piezas a partir de polvo de Ti6Al4V con

sinterización directa de metal con láser (del inglés Direct Metal Laser Sintering, DMLS)

y un post-procesado mediante fresado para estudiar la rugosidad superficial. En la

fabricación aditiva por DMLS se obtuvieron valores de rugosidad de 17,9±2,0 μm (Ra).

En el proceso de acabado por fresado se obtuvo una reducción de la rugosidad

superficial del 95%, llegando a valores de 0,3±2,0 μm (Ra).

Sartori et al., (2017) hacen una evaluación del rendimiento de un nuevo método

de enfriamiento en el mecanizado, que utiliza nitrógeno gaseoso enfriado por

nitrógeno líquido en un rango de temperaturas de 0-150 ºC, y comparan con el uso de

nitrógeno líquido y una emulsión de agua con un 5% de fluido de corte. El método se

aplicó en un semi-acabado de torneado de una aleación de Ti6Al4V, obteniendo

valores de rugosidad comprendidos entre 1,044 y 1,327 μm (Ra).



Bruschi et al., (2016) analizan la influencia de varios parámetros de mecanizado

en la rugosidad en piezas de Ti6Al4V forjado y realizadas mediante fabricación aditiva

con dicha aleación. Los cilindros obtenidos por fusión con haz de electrones

(fabricación aditiva) y de Ti6Al4V forjado se sometieron a un proceso de semi-acabado

por torneado bajo un corte seco y con condiciones criogénicas de enfriamiento. Los

valores de rugosidad media obtenidos con las condiciones criogénicas fueron mejores

que los valores obtenidos en el torneado seco. Así, con dichas condiciones, se

alcanzaron valores de rugosidad en los cilindros realizados por fusión con haz de

electrones de 0,89±0,05 μm a 2,32±0,04 μm, mientras que los cilindros de Ti6Al4V

forjado después del semi-acabado llegaron a rugosidades medias de 0,72±0,18 μm a

2,29±0,07 μm.

Strano et al., (2013) analizaron la rugosidad superficial (Ra) en piezas de acero

AISI 316L realizadas por fusión selectiva con láser (del inglés Selective Laser Melting,

SLM). Relacionaron el ángulo de inclinación de la pieza con la rugosidad, obteniendo

un mejor acabado superficial para un ángulo de 0º. Las rugosidades están

comprendidas entre 8 y 16 μm.

Guo et al., (2017) fabricaron piezas con polvo de acero inoxidable AISI 316L,

mediante deposición directa por láser, usando dos direcciones de construcción, una

de 0º y otra de 90º. Después, las piezas se sometieron a un post-procesado por

fresado variando la velocidad de corte entre 60 y 150 m/min. El valor más bajo de

rugosidad fue 0,2 μm para una dirección de construcción de 90º y una velocidad de

corte de 150 m/min.

Maurotto et al., (2017) presentaron una investigación experimental de acero

inoxidable austenítico AISI 316L mediante una fresadora de 3 ejes. Los parámetros

de entrada fueron: velocidad de corte (120-350 m/min), avance (0,15-0,35 mm/diente)

y profundidad de corte (1,5-3 mm). La rugosidad superficial resultante, tanto de un

fresado frontal como lateral, fue por debajo de 3,2 mm, límite usado en la industria

nuclear.



Los anteriores ejemplos muestran claramente cómo, en el caso de la fabricación

de piezas metálicas, el mecanizado es un proceso de post-procesado adecuado para

mejorar la calidad superficial de las piezas generadas mediante fabricación aditiva.

2.5.2. Rugosidades en plásticos

Los materiales poliméricos son los materiales más empleados en la fabricación

aditiva. Las calidades que se obtienen son deficientes, en ocasiones teniendo que

someterse a un post-procesado, por ejemplo, por mecanizado.

Adel et al., (2018) hicieron muestras de PLA4043D con tecnología FDM. Se

sometieron a un post-procesamiento de chorro de aire calienta para derretir de forma

local la superficie y mejorar el efecto escalera. Obtuvieron una reducción significativa

del 88% de Ra.

Boschetto et al., (2016) fabricaron piezas mediante FDM de ABS-P400 con

parámetros de impresión de: 0,254 mm de altura de capa, un relleno sólido, un método

de generación de ruptura del soporte y distintos ángulos de deposición, entre 0 y 90º.

Después se sometieron a un mecanizado, concretamente, un fresado CNC de 3 ejes,

con el fin de comparar las rugosidades obtenidas antes y después del mismo. Para

ángulos de deposición de 60º y 9º, obtuvieron valores de rugosidad superficial de 17

y 50 μm, respectivamente, mejorándose, con un fresado con una profundidad de corte

de 0,1 mm, a 2,5 y 20 μm, respectivamente.

Izamshah et al., (2013) estudiaron el fresado en láminas de PEEK no reforzado.

Las condiciones de corte que emplearon fueron: velocidad de rotación de 4000 a 8000

rpm, profundidad de corte de 4 a 8 mm y una velocidad de avance de 0,2 a 0,3

mm/diente. Como resultados tuvieron valores de rugosidad entre 0,69 y 3,5 μm siendo

la velocidad de avance el factor más influyente.

Petropoulos et al., (2008) analizaron las rugosidades superficiales de un

torneado de PEEK. Las condiciones de corte fueron velocidades de corte de 50 a 200



m/min y avances de 0,05 a 0,2 mm/rev, resultando ser esta última la más influyente

sobre las rugosidades superficiales obtenidas de 0,5 a 4 μm.

Huang et al., (2017) imprimieron lentes ópticos de VeroClear 810 mendiante el

sistema Polyjet para someterlos a un posterior mecanizado mediante torneado con

diamante. Se usaron tres configuraciones de impresión (horizontal, vertical y oblicua)

y tres espesores (10, 15 y 20 mm), obteniendo valores de rugosidad superficial entre

0,14 y 1,07 μm. Después del torneado con diamante el acabado superficial mejoró

notablemente, alcanzando valores de rugosidad entre 0,14 y 0,32 μm.

Igual que sucedía con la fabricación de piezas metálicas, el mecanizado muestra

su idoneidad como método para mejorar la calidad superficial en determinados

ejemplos de producción de piezas de tipo plástico.



3. METODOLOGÍA

3.1. Introducción

En este capítulo se define la metodología que se desarrolla para la realización

del ensayo experimental. Se emplearán diseños experimentales que permitirán el

posterior análisis estadístico, dando resultados válidos y conclusiones objetivas.

Previamente, es necesario tener una idea clara de todos los parámetros involucrados

en el estudio, de cómo se deben recopilar los datos y entender cómo deben ser

analizados dichos datos. Para ello se puede seguir el siguiente procedimiento, siendo

los tres primeros puntos la planificación pre-experimental (Montgomery, 2001):

i. Planificación pre-experimental

Reconocimiento y declaración del problema.

Selección de la variable de respuesta.

Selección de factores, niveles y rangos.

ii. Elección del diseño experimental.

iii. Realización del experimento.

iv. Análisis estadístico.

v. Conclusiones.

3.2. Planificación pre-experimental

3.2.1. Reconocimiento y declaración del problema

La rugosidad superficial que se obtiene en la fabricación aditiva presenta todavía

muchas limitaciones frente a la obtenida mediante mecanizado. Con los experimentos

a realizar se pretende estudiar la influencia de los diferentes factores que afectan al

acabado superficial en la fabricación aditiva. Además, se realizarán probetas con

distintos materiales mediante fabricación aditiva, para someterlas a un post-procesado

por mecanizado, pudiendo comprar las rugosidades superficiales obtenidas en ambos

casos.



3.2.2. Selección de la variable de respuesta

La variable de respuesta debe aportar información relevante sobre el estudio,

por lo que se escoge la rugosidad superficial, característica fundamental y

comúnmente empleada para la comparación entre las calidades obtenidas con

distintos procesos de fabricación. Concretamente, se considera la rugosidad media

(Ra), que se define como la desviación media aritmética de los valores de las

ordenadas en Z a lo largo de una longitud de muestreo, definida en el apartado 2.2.1.

A parte del proceso de fabricación empleado, hay otras características

mecánicas y tribológicas que afectan a la rugosidad superficial de una pieza, como

por ejemplo la fricción, desgaste de la herramienta, resistencia a fatiga, transmisión

de calor o resistencia a la corrosión (Benardos y Vosniakos, 2003) (Villeta et al., 2012).

Desde otro punto de vista, el coste y el tiempo total del proceso son críticos para

la industria, pudiendo verse afectados cuando los requerimientos de acabado

superficial son exigentes, ya que para conseguir una baja rugosidad aumentarán los

gastos de herramienta y tiempo, y los parámetros a emplear en el proceso serán más

restrictivos, bajando, por consiguiente, el rendimiento de la producción (Yamazaki,

2016) (Benardos y Vosniakos, 2003).

Para entender la variable de respuesta elegida se tiene que diferenciar entre

acabado superficial y textura de la superficie. La primera se refiere solo a las

irregularidades geométricas de superficies de materiales sólidos y a las características

de los instrumentos de medición de rugosidad, mientras que la textura de la superficie

se define en términos de ondulación, defectos y rugosidad (ASM, 1989).

3.2.3. Selección de los factores, niveles y rangos

En este apartado se seleccionan los factores, así como sus niveles y rangos, que

podrían llegar a influir en la rugosidad superficial. Para ello, se realizará una selección

de los más adecuados para el estudio de la rugosidad.



Hay gran variedad de estudios sobre factores que pueden afectar al proceso de

mecanizado, concretamente, sobre la rugosidad se pueden nombrar los siguientes

factores (Benardos y Vosniakos, 2003):

Herramienta de corte: material, geometría, radio de punta y forma.

Material de la pieza de trabajo: tamaño, diámetro y dureza.

Parámetros de mecanizado: proceso cinemático, profundidad de corte,

fluido de refrigeración/lubricación, ángulo de la herramienta, avance y

velocidad de corte.

Fenómenos del proceso de corte: variaciones de la fuerza de corte,

fricción en la zona de corte, vibraciones, aceleración y formación de viruta.

Por otro lado, en fabricación aditiva también existe un número elevado de

factores que pueden influir en la rugosidad superficial. A continuación, se enumeran

los principales (Bikas et al., 2016) (Bourell et al., 2017) (Hällgren et al., 2016) (Umaras

et al., 2017):

Material de extrusión: temperatura de fundición, viscosidad, densidad, tipo

de material, propiedades mecánicas y fuerza de extrusión.

Cámara: temperatura, presión, vibraciones, posición de la plataforma,

posición del extrusor, sistema de coordenadas y evacuación del calor.

Extrusor: velocidad, ángulo de inclinación, diámetro de extrusión,

vibración y aceleración.

Características de deposición: dirección de construcción, grosor de la

pared, altura de capa, orientación, geometría lateral y velocidad.

Debido al número elevado de factores se hace una selección para poder hacer

un estudio acotado, más práctico y económico. El estudio incorpora dos tipos distintos

de experimentos: experimento 1 y experimento 2.

El experimento 1 tiene como objetivo analizar la influencia de los factores

considerados como influyentes en la rugosidad superficial obtenida por impresión 3D,

escogiendo los siguientes: altura de capa, grosor de la pared, velocidad de impresión



y temperatura de impresión; a los que se les asignan dos niveles, como se puede ver

en la Tabla 3.1.

Factor Nivel Nomenclatura

Altura de capa (h) 2 h1, h2

Grosor de la pared (g) 2 g1, g2

Velocidad de impresión (v) 2 v1, v2

Temperatura de impresión (t) 2 t1, t2

Tabla 3.1: Factores, niveles y nomenclatura para el experimento 1.

Para el experimento 2 se fijaron unos valores para los factores anteriores,

escogiendo dichos valores basados en uno de los ensayos con los que se obtiene una

combinación de buena calidad superficial y tiempo de fabricación adecuado. Los

factores seleccionados son el grosor de la pared y el tipo de relleno con cinco y tres

niveles, respectivamente.


Altura de capa (h) 1 h1

Grosor de la pared (g) 5 g1, g2, g3, g4, g5

Velocidad de impresión (v) 1 v2

Temperatura de impresión (t) 1 t2

Tipo de relleno (r) 3 r1, r2, r3

Tabla 3.2: Factores, niveles y nomenclatura para el experimento 2.

Por último, para realizar los ensayos de post-procesamiento de impresión 3D

mediante mecanizado, en concreto, torneado; se escogen como factores los

siguientes: avance, velocidad de giro del husillo, profundidad de corte y sistema de



refrigeración. Todos los factores tienen un nivel menos el sistema de refrigeración que

posee tres, como se muestra en la Tabla 3.3.


Avance (f) 1 f1

Velocidad de giro del husillo (n) 1 n1

Profundidad de corte (d) 1 d1

Sistema de refrigeración (s) 3 s1, s2, s3

Tabla 3.3: Factores, niveles y nomenclatura para los ensayos en torneado.

3.3. Elección del diseño experimental

La elección del diseño experimental tiene que ajustarse a los objetivos

prestablecidos a partir de la información descrita en los anteriores apartados, con el

fin de obtener resultados concluyentes.

El objetivo principal es el estudio de la influencia de distintos factores de

impresión 3D sobre la rugosidad superficial (Ra). Para ello, en el experimento1, se

realizarán ensayos con distintas combinaciones de los niveles de los factores que

están siendo investigados. Se realizará un segundo experimento, experimento 2, para

profundizar en la influencia de los distintos parámetros que afectan a la calidad de la

superficie en la impresión 3D.

Para el análisis del experimento 1 se ha seleccionado un diseño factorial

fraccionado, por lo que se consideran la mitad de todas las combinaciones posibles

de los factores. Para ello se representan los dos niveles de cada factor con ‘‘+’’ ó ‘‘-’’,

haciendo la Tabla 3.4 con todas las combinaciones. Al realizar la multiplicación de los

factores para cada ensayo, resultarán la mitad positivos y la otra mitad negativos,

escogiendo únicamente los ensayos positivos, ocho ensayos como se muestra en la

Fórmula 3.1 (Montgomery, 2001).



𝑁º 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 = 24 = 16 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜𝑠

→ 8 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜𝑠 (Fórmula 3.1)

Ensayo Altura de capa (h)

Grosor de la pared (g)

Velocidad de

impresión (v)

Temperatura de

impresión (t) h*g*v*t

e_1 + + + + +

e_2 + + + - -

e_3 + + - + -

e_4 + + - - +

e_5 + - + + -

e_6 + - + - +

e_7 + - - + +

e_8 + - - - -

e_9 - + + + -

e_10 - + + - +

e_11 - + - + +

e_12 - + - - -

e_13 - - + + +

e_14 - - + - -

e_15 - - - + -

e_16 - - - - +

Tabla 3.4: Combinaciones para el diseño factorial fraccionado para el experimento 1.



Para el estudio del experimento 2 se ha escogido un diseño factorial completo

en el que se contemplan todas las combinaciones posibles entre los niveles de los

factores de relleno y grosor de la pared; por lo que se tienen 15 ensayos.

Para cada probeta de ensayo se tomarán un total de seis medidas de Ra. Para

hacer estas mediciones en primer lugar se dividirá la probeta en una parte inferior,

referida al comienzo de impresión; y una parte superior, referida al final de la

impresión. Por otro lado se realizarán tres generatrices, evitando la originada por el

efecto cremallera (línea originada por el exceso de material al cambiar de capa),

debido a la posibilidad de tomar medidas no concluyentes por dicho defecto. Una vez

hechas las generatrices se tomarán tres medidas de rugosidad en sentido horario en

la parte superior de la probeta (Ra1, Ra2 y Ra3), y en sentido anti horario en la parte

inferior (Ra4, Ra5 y Ra6), como se muestra en la Figura 3.1. Con estas seis medidas se

hace la media para obtener el valor promedio de Ra para cada pieza.

Figura 3.1: División de las probetas para la toma de medidas.

De este modo, se tendrá un total de 48 medidas de rugosidad para el

experimento 1; y 90 medidas para el experimento 2. Se hace con un orden aleatorio

de ensayos para garantizar la hipótesis de que las observaciones o errores sean

variables aleatorias distribuidas de forma independiente, evitando sesgos en los

resultados (Montgomery, 2001).



Ensayo h v t g

Medición

Parte superior

Parte inferior

e_1 2 1 2 1 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

e_2 1 2 2 1 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

e_3 1 1 2 2 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

e_4 2 1 1 2 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

e_5 1 1 1 1 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

e_6 2 2 2 2 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

e_7 1 2 1 2 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

e_8 2 2 1 1 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

Tabla 3.5: Plan del experimento 1.

Ensayo r g Medición

Parte superior

Parte inferior

f_1 1 1 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_2 2 2 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_3 1 5 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_4 3 2 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_5 3 3 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_6 1 3 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_7 2 1 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_8 3 5 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_9 1 2 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_10 3 4 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_11 2 3 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_12 2 5 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_13 3 1 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_14 1 4 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

f_15 2 4 Ra1, Ra2, Ra3 Ra4, Ra5, Ra6

Tabla 3.6: Plan del experimento 2.



Para los ensayos realizados con mecanizado, se imprimirán tres probetas con

distintos materiales. Cada probeta se someterá a tres torneados, combinando los

distintos niveles de los factores elegidos en el apartado 3.2.2. De este modo, cada

probeta constará de tres tramos torneados, teniendo un total de nueve tramos

mecanizados. Se medirán tres rugosidades superficiales en cada probeta antes del

mecanizado y, una vez realizado, se tomarán tres medidas en cada cada tramo,

basándose en el método de medición definido anteriormente.

3.4. Realización del experimento

Cuando se ejecuta un experimento, es de vital importancia planear el proceso

cuidadosamente para asegurarse de que todo se esté siguiendo de acuerdo al plan.

Para la realización de los dos experimentos y ensayos de mecanizado se han

seguido los pasos descritos en los apartados siguientes.

3.4.1. Actividades previas a los ensayos

3.4.1.1. Impresión 3D

Antes de imprimir las probetas se tiene que generar un modelo de CAD en un

software comercial, en este caso SolidWorks. Una vez realizado el modelo, se

convierte en un formato STL; pudiéndose abrir con el software Ultimaker CURA 3.2.1.

para ajustar medidas, escalar, posicionar la pieza de forma óptima para la impresión

y variar los distintos parámetros. Es necesario comprobar en el software Ultimaker

CURA 3.2.1 que los parámetros escogidos para los ensayos no se salen de los rangos

del programa, asegurándose el correcto funcionamiento y la impresión.

Con respecto a la impresora, se nivela la plataforma del área de impresión y se

limpia la boquilla y el sistema de extrusión cargando un material específico para la

limpieza de los mismos, Smart Clean, con el fin de eliminar materiales residuales que

hayan podido quedar en el interior del extrusor. Por último se carga el material de

impresión, para ambos experimentos, PLA (del inglés polylactic acid, PLA).



En cuanto al equipo de medida se procederá a la comprobación del

funcionamiento del rugosímetro y su calibrado.

3.4.1.2. Torneado

En primer lugar se ha de obtener la pieza de ensayo mediante impresión 3D.

Para ello, en el caso de las probetas de Nylon y PLA, se sigue el mismo procedimiento

indicado en los apartados 3.4.1 y 3.4.2, debido a que se usa la misma impresora. Para

la impresión de la probeta de ABS, se ha empleado una AirWolf 3D HD, debido a que

el material necesita una cama caliente.

Con respecto al torneado, se ha de comprobar previamente el funcionamiento

del torno según los parámetros que se han seleccionado. También es necesario

asegurarse de que los sistemas de refrigeración por chorro de aire y por taladrina

funcionan correctamente y que se dispone de una herramienta de corte adecuada y

en buen estado.

3.4.2. Realización de ensayos

3.4.2.1. Impresión 3D

Para la realización de los distintos ensayos, tanto para los del experimento 1

como para los del experimento 2, se hace una impresión 3D variando los parámetros

según el plan del experimento, como se ha indicado en las Tablas 3.5 y 3.6.

El procedimiento llevado a cabo para la ejecución de los ensayos es el siguiente:

i. Abrir el archivo STL en Ultimaker CURA y fijar los parámetros

correspondientes al ensayo.

ii. Guardar el archivo como .gcode en una tarjeta e introducirla en la

impresora.

iii. Realizar el auto home a la impresora para posicionar los ejes de la

impresora en el cero.



iv. Añadir espray fijador a la plataforma de impresión para una mayor

adhesión de la pieza.

v. Seleccionar el archivo para su impresión.

vi. Retirar la probeta imprimida.

3.4.2.2. Torneado

Para llevar a cabo los ensayos de torneado de las tres probetas obtenidas por

FDM, previamente se tiene que quitar la falda de la pieza, es decir, la capa perimétrica

de apoyo que evita el efecto warping.

El procedimiento para la realización es el siguiente:

i. Posicionar y fijar la probeta a mecanizar en el plato de garras.

ii. Colocar en el portaherramientas la herramienta requerida.

iii. Seleccionar los parámetros de mecanizado del ensayo: velocidad de giro

del husillo, avance, profundidad de corte y sistema de refrigeración.

iv. Realizar el cilindrado en un tramo de la probeta.

v. Fotografiar con la cámara de imagen térmica.

vi. Alejar la herramienta de la probeta mecanizada.

vii. Cambiar el sistema de refrigeración.

viii. Repetir los pasos del iv al vii para los dos siguientes tramos.

ix. Retirar la herramienta y la probeta mecanizada.

3.4.3. Medición de la rugosidad superficial

Tras imprimir las probetas, y mecanizar los correspondientes tramos, se procede

a la medición de la rugosidad, parámetro Ra, empleando el rugosímetro. Antes de

proceder a la toma de medidas se tiene que quitar la falda de la pieza.



Para la medición de las probetas de los experimentos 1 y 2, se tomarán las

distintas partes indicadas en el punto 3.3 e indicadas en la Figura 3.1, marcando las

tres generatrices de medición y la debida al efecto cremallera.

Los pasos a seguir para la toma de medidas es la siguiente:

i. Colocar la probeta encima del apoyo.

ii. Ajustar la posición de la probeta para fijar la generatriz de medida

correspondiente.

iii. Aproximar y posicionar el palpador del rugosímetro a la zona de medida.

iv. Realizar la toma de medidas de la rugosidad superficial media (Ra), en las

zonas correspondientes.

v. Guardar los datos tomados.

vi. Retirar el rugosímetro.

vii. Retirar la probeta.

Para las probetas mecanizadas se tomarán tres medidas de rugosidad en cada

tramo torneado, siguiendo las mismas instrucciones anteriores sobre el marcado de

generatrices y la toma de medidas. Además se medirán tres rugosidades superficiales

en cada probeta antes del mecanizado.

3.5. Análisis estadístico

En esta etapa del proceso se realizará un análisis estadístico de los datos de la

variable respuesta obtenidos, con el fin de cuantificar las relaciones y asociaciones de

los parámetros estudiados, pudiendo sacar conclusiones objetivas del experimento.

El análisis del estudio experimental permitirá evaluar los diferentes parámetros

estudiados y su influencia sobre la rugosidad superficial.

Para ambos experimentos se hace un Análisis de Varianza (ANOVA) según los

siguientes pasos:

Cálculo de la suma de cuadrados de cada una de las fuentes de variación.



Cálculo de la suma de cuadrados del error y de la suma de cuadrados

total.

Identificación de los grados de libertad de las fuentes de variación.

Cálculo de los cuadrados medios de las fuentes de variación y del error.

Evaluación del estimador F para las fuentes de variación, a partir de los

cuadrados medios de las fuentes de variación y error.

Para hacer dicha evaluación se empleará el software R de análisis estadístico

de datos y Microsoft Excel. Con estos programas se podrán sacar conclusiones de los

datos de ensayo y hacer una representación gráfica de ellos.

3.6. Conclusiones

En esta última fase se establecen las conclusiones obtenidas a partir de los

resultados del análisis estadístico. Las conclusiones sirven para mejorar y aportar

conocimiento sobre el experimento, pudiendo definir con mayor profundidad la

influencia de los factores en la variable de respuesta y establecer recomendaciones

prácticas en la ejecución. Por último, las conclusiones dan lugar a ideas o propuestas

a posibles trabajos y estudios futuros.



4. APLICACIONES Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

4.1. Introducción

En este apartado se presenta la aplicación de la metodología desarrollada en el

apartado 3. Se muestran tanto los experimentos y procedimientos realizados, como

los resultados obtenidos y su análisis estadístico y gráfico. A partir de esto, se podrá

llegar a unas conclusiones objetivas, que permitan ampliar el conocimiento sobre el

tema de estudio.

En primer lugar, se desglosan las distintas etapas seguidas para los

experimentos 1 y 2 y ensayos de mecanizado, detallando el equipo experimental y

materiales empleados en el ensayo. Seguidamente, se definen ambos experimentos

y los ensayos de mecanizado, detallando los valores obtenidos por la medición para

cada ensayo. Por último, se hace el análisis estadístico de los resultados, evaluando

así la influencia de cada factor sobre la rugosidad superficial y pudiendo hacer una

comparación entre la calidad superficial obtenida mediante impresión 3D y la obtenida

con un post-procesamiento de mecanizado.

4.2. Aplicaciones

4.2.1. Equipo experimental para los experimentos 1 y 2

Para la realización de los experimentos 1 y 2 los recursos empleados para

llevarlos a cabo son los siguientes:

Material de impresión PLA.

Material de limpieza Smart Clean.

Espray fijador Dimafix.

Software Ultimaker CURA 3.2.1.

Impresora 3D Witbox de BQ.

Rugosímetro Surftest SJ 210 de Mitutoyo.

El material de limpieza empleado se denomina Smart Clean, desarrollado para

limpiar el extrusor de la impresora eliminando todos los restos de polímero que hayan



podido quedar depositados en el interior del extrusor durante la impresión. La

composición de este filamento es: PLA (Resina Poliáctida) – 69% CAS: 9051-89-2 y

CaCO3 – 30% CAS: 1317-65-3; con un diámetro de 1,75 mm. El modo de uso es el

siguiente:

Calentar el extrusor hasta superar en 10 ºC la temperatura del material

que se ha usado con anterioridad, en nuestro caso es PLA, por lo que hay

que programar la temperatura de impresión en unos 230 ºC.

A continuación se carga el material de limpieza, Smart Clean, y se extruye

el material.

Por último, se saca el filamento de limpieza y se carga el material que se

quiera imprimir.

El material de impresión es ácido poliláctico o poliáctido, comúnmente conocido

como PLA (Figura 4.1 y 4.2). Es un plástico biodegradable debido a su origen natural

(maíz, patata o caña de azúcar), sin incorporación de material reciclado ni recuperado

y totalmente estabilizado sin producción de warping (defecto en el que el material

tiende a despegarse debido a tensiones internas) y una buena resolución de impresión

según el fabricante. Las propiedades del material pueden verse en la Tabla 4.1.

PLA

Nombre químico Ácido poliláctico

Composición PLA (Resina Poliáctida)

- 99% CAS: 9051-89-2

Densidad 1,24 g/cm3

Temperatura de

impresión 220±20 ºC

Diámetro 1,75±0,03 mm

Tabla 4.1: Propiedades del PLA utilizado.



Para una mayor adherencia del material a la base de impresión se hace uso del

espray fijador, Dimafix (Figura 4.1 y 4.2), diseñado para la impresión 3D mediante

Fabricación de Filamento Fundido (FFF) o FDM con el fin de evitar el efecto warping.

Figura 4.1: Espray fijador y PLA empleados.

La máquina para la impresión 3D utilizada es la Witbox de BQ (Figura 4.2), que

emplea el método de FFF/FDM, consistente en ir añadiendo, capa por capa, filamento

polimérico fundido hasta completar la pieza de impresión. El extrusor es un diseño

propio de BQ con una boquilla de 0,4 mm y una tobera de refrigeración. Se recomienda

una velocidad de impresión de 50 mm/s y una máxima de 80 mm/s. El área de

impresión tiene una cama de base fría de cristal tamaño A4, el resto de medidas de la

impresora se muestran en la Tabla 4.2.

Dimensiones de la Witbox

Impresora (x)505 x (y)388 x (z)450 mm

Área de impresión (x)297 x (y)210 x (z)200 mm

Caja (x)622 x (y)524 x (z)624 mm

Tabla 4.2: Dimensiones de la impresora Witbox.



La máquina Witbox tiene como software predeterminado de impresión el

Ultimaker CURA 3.2.1, que es el utilizado para cambiar los parámetros de impresión

de los distintos ensayos realizados. Por lo tanto, el software está programado con las

características de la impresora. Este software es el encargado de preparar y convertir

los modelos 3D generados en otros formatos en un formato compatible con la

impresora, los archivos se guardan con un formato .gcode.

Figura 4.2: Impresora Witbox, PLA y espray fijador.

La interfaz gráfica del software Ultimaker CURA 3.2.1 (Figura 4.3) se compone

de un área de trabajo tridimensional, correspondiente con el área de impresión de la

impresora Witbox, y un cuadro de opciones. En primer lugar, se carga una pieza 3D

que se desea imprimir, en este caso un cilindro generado en SolidWorks; en segundo

lugar, se ajustan los parámetros de impresión en el cuadro de opciones según los

factores del ensayo. Una vez hecho esto, se toma nota sobre el tiempo estimado de

impresión y los gramos de plástico que se requieren para la misma. Por último, se

guarda el archivo pudiendo imprimirlo en la impresora.



Figura 4.3: Software Ultimaker CURA 3.2.1.

El rugosímetro que se empleó para las mediciones es un Mitutoyo Surftest SJ

210 (Figura 4.4), un equipo de medición portátil con un rango de detección de -200

μm a 160 μm y un rango de medición de 17,5 mm. Está capacitado para la medición

de 39 parámetros característicos que cumplen los siguientes estándares: JIS (JIS-

B0601-2001, JIS-B0601-1994, JIS BO601-1982), VDA, ISO-1997 y ANSI. Uno de

estos parámetros es la desviación media aritmética, Ra, la medida de evaluación para

el presente TFG. Las probetas se midieron con una longitud de muestreo de 2,5 mm

y una velocidad de medición de 0,5 mm/s.



Figura 4.4: Rugosímetro Mitutoyo Surftest SJ 210.

4.2.2. Equipo experimental para los ensayos de torneado

Para los ensayos realizados por mecanizado de las tres probetas obtenidas por

impresión 3D se emplearon los siguientes equipos experimentales:

Material de impresión PLA, ABS y Nylon Strong.

Material de limpieza Smart Clean.

Espray fijador Dimafix.

Software Ultimaker CURA 3.2.1.

Impresora 3D Witbox de BQ.

Impresora 3D AirWolf 3D HD.

Torno Pinacho SP/165.

Cámara de imagen térmica FLIR i3.

Rugosímetro Surftest SJ 210 de Mitutoyo.



Para cada ensayo se ha empleado un material de impresión diferente. El PLA

utilizado es el mismo que el descrito anteriormente. Para otro de los ensayos se ha

empleado acrilonitrilo butadieno estireno, comúnmente conocido como ABS, un

termoplástico muy usado en la impresión 3D. Sus características principales son:

material muy tenaz, duro y rígido, con resistencia química a la abrasión. No es

biodegradable, y sufre con la exposición a los rayos UV y requiere una cama caliente

entre 80 ºC y 100 ºC. Para el último de los ensayos se ha utilizado Nylon Strong, una

Poliamida 6 (PA6), un Nylon con una gran dureza, ideal para aplicaciones industriales

donde se necesiten propiedades mecánicas de fuerza, resistencia o soportar altas

temperaturas. También es un material rígido con una temperatura de reblandecimiento

de 210 ºC, lo que implica una oportunidad para la fabricación de piezas industriales

mediante impresión 3D. El espray fijador y el material de limpieza son los mismos que

los usados en los experimentos 1 y 2.

Para la impresión de los ensayos de las probetas de Nylon y PLA se ha utilizado

la misma impresora 3D Witbox que para los experimentos 1 y 2, ya que uno de los

materiales es PLA, al igual que en ambos experimentos, y el Nylon empleado tiene un

diámetro también de 1,75 mm y es un material apto para la Witbox.

Para la impresión del ABS, debido a que requiere una impresión en cama

caliente, se emplea una impresora AirWolf 3D HD, también con tecnología FDM/FFF.

Tiene unas dimensiones de 600x440x450 mm y un tamaño máximo de impresión de

300x200x300 mm, el diámetro de la boquilla es 0,5 mm y el tamaño de filamento 3

mm.



Figura 4.5: Impresora AirWolf 3D HD.

Los parámetros usados para la impresión de las tres probetas son idénticos, con

excepción de la temperatura de impresión ya que esta debe ajustarse al material a

imprimir. En la Tabla 4.3 se recogen los parámetros empleados.

Material

Altura

de

capa

(mm)

Velocidad

de

impresión

(mm/s)

Temperatura

de

impresión

(ºC)

Grosor de

la pared

(mm)

PLA 0,2 120 200 3

ABS 0,2 120 225 3

Nylon

Strong 0,2 120 250 3

Tabla 4.3: Parámetros de impresión de las probetas para torneado.

Para un tratamiento posterior a la impresión 3D, se ha realizado un mecanizado

de las probetas mediante un torno paralelo convencional, concretamente, el torno

Pinacho SP/165 (Figura 4.6). Para ello se han seleccionado velocidad de giro del



husillo y avance con la caja de velocidades y avances, respectivamente, y con el

indicador de posición diametral, volante de posición frontal, se pone a cero el indicador

con un palpado de la herramienta con la probeta, poniendo la referencia a cero y

pudiendo poner la profundidad de corte.

Cada operación de mecanizado consiste en una pequeña pasada de acabado

con bajo avance y profundidad de corte, siendo la longitud mecanizada de entre 10 y

20 mm. Para cada probeta, se han mecanizado tres partes, una primera sin

refrigeración, una segunda con chorro de aire, con una presión entre 5 y 6 bares, y

una tercera con taladrina (Cormetal Super más agua), pudiendo tomar así las

temperaturas que alcanza la probeta con cada torneado.

Figura 4.6: Torno Pinacho SP/165.

La cámara de imagen térmica, empleada para medir las temperaturas

alcanzadas durante el torneado, es el modelo FLIR i3 (Figura 4.7). Posee una

precisión de ±2 ºC o ±2% detectando temperaturas hasta de +250 ºC, detectando

diferencias de temperatura de 0,10 ºC.



Figura 4.7: Cámara de imagen térmica FLIR i3.

El rugosímetro utilizado, para la toma de medidas de las tres probetas, es el

mismo utilizado que en los experimentos 1 y 2, Mitutoyo Surftest SJ 210. Para estos

ensayos se escogió una longitud de muestreo de 0,8 mm y una velocidad de medición

de 0,5 mm/s.



4.2.3. Definición de los experimentos

En este apartado se seleccionan valores concretos para los distintos niveles de

los factores propuestos para cada experimento y los ensayos de mecanizado.

4.2.3.1. Experimento 1

En este experimento se tienen cuatro factores con dos niveles cada uno.

- Altura de capa (h): se escogen 0,15 y 0,25 mm para este factor. Los

valores se escogieron en función de que no se saliesen de los rangos

recomendados por el programa Ultimaker CURA 3.2.1. Además, existen

diversos estudios sobre la obtención de una mejor rugosidad superficial

cuanto menor sea la altura de capa (Campbell et al., 2002) (Kumbhar y

Mulay, 2016); y la altura de capa mínima recomendada para FDM es

0,254 mm (Kumbhar y Mulay, 2016), por lo que se escoge un valor

aproximado al mínimo recomendado y otro más bajo para estudiar el

factor.

- Velocidad de impresión (v): las velocidades de impresión recomendadas

por la impresora están en el rango de 50 y 80 mm/s. Para seleccionar los

valores de cada nivel se escogieron dos valores extremos con estas

velocidades de referencia, teniendo 40 y 80 mm/s.

- Temperatura de impresión (t): la temperatura recomendada para la

impresión de PLA está en 220±20 ºC. Se han escogido los valores de 195

ºC, que está por debajo de la temperatura mínima recomendada, y 225

ºC, una temperatura 5 ºC superior a la normal recomendada.

- Grosor de pared (g): según Noorani (2018) el grosor de la pared debe ser

el doble que el diámetro de la boquilla de impresión. En este caso, la

boquilla tiene un diámetro de 0,4 mm, por lo que se seleccionaron 1 y 3

mm para el grosor de la pared.



Las probetas se imprimieron con unas dimensiones de 30x30x40 mm. En la

Tabla 4.4 se muestran los factores con los valores de sus niveles para el experimento

1.

Factor Nivel

Altura de capa (h) 0,15 0,25 mm

Grosor de la pared (g) 1 mm 3 mm

Velocidad de impresión (v) 40 mm/s 80 mm/s

Temperatura de impresión (t) 195 ºC 225 ºC

Tabla 4.4: Factores y niveles para el experimento 1.

Una vez definidos los factores y los valores de los niveles, se puede definir el

primer plan de experimentos como se ve en la Tabla 4.5. Además, en esta tabla se

añade el tiempo estimado de impresión determinado por el software Ultimaker CURA

3.2.1 dependiendo de los valores de los niveles de cada ensayo. Por otro lado, como

se explicó con anterioridad, los ensayos se realizan con el orden aleatorizado.

Ensayo Altura de capa

(mm) Velocidad de

impresión (mm/s) Temperatura

(ºC)

Grosor de la pared

(mm)

Tiempo estimado

(min)

e_1 0,25 40 195 3 74

e_2 0,15 40 225 3 123

e_3 0,15 80 195 3 64

e_4 0,25 80 195 1 29

e_5 0,15 40 195 1 90

e_6 0,25 80 225 3 38

e_7 0,15 80 225 1 47

e_8 0,25 40 225 1 55

Tabla 4.5: Seguimiento de ensayos del experimento 1.



Figura 4.8: Probetas del experimento 1.

4.2.3.2. Experimento 2

En este experimento se tienen cinco factores todos con un nivel, menos el grosor

de la pared y el tipo de relleno, con cinco y tres niveles, respectivamente. Los valores

de los niveles, para la altura de capa, temperatura y velocidad de impresión, se han

escogido en función a los ensayos del experimento 1. Para ello se ha seleccionado un

ensayo con un valor de altura de capa de 0,15 mm (mejor rugosidad) y un tiempo

óptimo de impresión. Así, se ha tomado como referencia el ensayo 7. Por lo tanto, los

valores de los niveles serán los siguientes:

- Altura de capa (h): 0,15 mm.

- Velocidad de impresión (v): 80 mm/s.

- Temperatura de impresión (t): 225 ºC.

- Grosor de la pared (g): para hacer un estudio más profundo e indagar

sobre este factor, se ha ampliado el rango y el número de niveles. Debido

a los resultados del experimento 1, se ha tomado como valor base 1 mm,

por lo que se han escogido dos valores por debajo y dos por arriba del

mismo. Los valores tomados son: 0,5, 0,75, 1, 1,25, 1,5 mm.

- Tipo de relleno (r): la densidad de relleno establecida, tanto en el

experimento 1 como en el 2, es del 20%. Se ha seleccionado este factor

para estudiar si afecta la geometría de relleno interior a la calidad



superficial de la pieza de impresión. Para ello se han seleccionado rejilla,

zig-zag y concéntrico como tipos de relleno.

En la Tabla 4.6 se muestran los factores con los valores de sus niveles para el

experiento 2.

Factor Nivel

Altura de capa (h) 0,15 mm

Grosor de la pared (g) 0,5 mm 0,75 mm 1 mm 1,25 mm 1,5 mm

Velocidad de impresión (v) 80 mm/s

Temperatura de impresión (t) 225 ºC

Tipo de relleno (r) Rejilla Zig-zag Concéntrico

Tabla 4.6: Factores y niveles para el experimento 2.

Al igual que para el experimento 1, se define el plan de experimentos en la Tabla

4.7, para el correcto seguimiento de los ensayos.



Ensayo Altura de

capa (mm)

Velocidad de

impresión

(mm/s)

Temperatura

(ºC)

Grosor de

la pared

(mm)

Tipo de

relleno

Tiempo

estimado

(min)

f_1 0,15 80 225 0,5 Zig-zag 74

f_2 0,15 80 225 0,75 Rejilla 64

f_3 0,15 80 225 1,5 Zig-zag 123

f_4 0,15 80 225 0,75 Concéntrico 43

f_5 0,15 80 225 1 Concéntrico 43

f_6 0,15 80 225 1 Zig-zag 90

f_7 0,15 80 225 0,5 Rejilla 74

f_8 0,15 80 225 1,5 Concéntrico 123

f_9 0,15 80 225 0,75 Zig-zag 64

f_10 0,15 80 225 1,25 Concéntrico 29

f_11 0,15 80 225 1 Rejilla 90

f_12 0,15 80 225 1,5 Rejilla 55

f_13 0,15 80 225 0,5 Concéntrico 40

f_14 0,15 80 225 1,25 Zig-zag 29

f_15 0,15 80 225 1,25 Rejilla 51

Tabla 4.7: Seguimiento de ensayos del experimento 2.



Figura 4.9: Probetas del experimento 2.

4.2.3.3. Ensayos de torneado

Para las tres probetas, de materiales diferentes, dispuestas para el mecanizado,

se han escogido tres ensayos iguales para cada una. Para los factores de profundidad

de corte, avance y velocidad de giro del husillo se escoge un único nivel, mientras que

para el sistema de refrigeración se seleccionan tres:

- Avance (f): la rugosidad superficial mejora con la disminución del avance,

por lo que se ha escogido el mínimo avance disponible en el torno paralelo

SP/165, 0,05 mm/rev.

- Velocidad de giro del husillo (n): para este factor se ha escogido una

velocidad intermedia de 360 rev/min.

- Profundidad de corte (d): la profundidad de corte se ha elegido en función

del parámetro de impresión del grosor de la pared, ya que no puede ser

más grande a este porque se entraría en la zona de relleno. Además, se

escoge una profundidad típica en operaciones de acabado en torneado.

Se ha elegido 0,5 mm de profundidad de corte.

- Sistema de refrigeración (s): es el único factor con más de un nivel. Los

sistemas elegidos son: en seco, por chorro de aire y con taladrina.



Factor Nivel

Avance (f) 0,05 mm/rev

Velocidad de giro del husillo (n) 360 rev/min

Profundidad de corte (d) 0,5 mm

Refrigeración (s) En seco Chorro

de aire Taladrina

Tabla 4.8: Factores y niveles para los ensayos de torneado.

Los ensayos realizados en tres tramos en las tres probetas con sus factores y

valores se representan en la Tabla 4.9.

Material Tramo Avance

(mm/rev)

Velocidad

de giro del

husillo

(rev/min)

Profundidad

de corte

(mm)

Refrigeración

PLA

1 0,05 360 0,5 En seco

2 0,05 360 0,5 Chorro de aire

3 0,05 360 0,5 Taladrina

ABS

1 0,05 360 0,5 En seco


3 0,05 360 0,5 Taladrina

Nylon

Strong

1 0,05 360 0,5 En seco


3 0,05 360 0,5 Taladrina

Tabla 4.9: Seguimiento de ensayos por mecanizado.



Figura 4.10: Probetas de los ensayos de torneado.

4.3. Análisis de resultados

4.3.1. Resultados de rugosidad superficial del experimento 1

En la Tabla 4.10 se muestran las medidas de rugosidad media (Ra) tomadas para

cada ensayo. En la última columna se muestra el promedio de las rugosidades

obtenidas en cada probeta.

Ensayo Ra1 (μm) Ra2 (μm) Ra3 (μm) Ra4 (μm) Ra5 (μm) Ra6 (μm) Ra (μm)

e_1 26,045 20,202 23,188 23,284 19,558 24,358 22,773

e_2 20,473 20,497 20,565 17,776 18,318 22,525 20,026

e_3 17,937 18,46 21,145 17,205 18,182 21,051 18,997

e_4 19,756 17,258 21,908 18,732 19,511 20,347 19,585

e_5 16,066 15,252 15,338 14,842 15,239 15,524 15,377

e_6 25,138 24,092 25,052 19,995 20,064 22,725 22,844

e_7 18,252 16,929 17,705 14,073 15,709 16,697 16,561

e_8 23,226 23,809 23,547 21,582 19,814 22,063 22,340

Tabla 4.10: Resultados de rugosidad superficial obtenidos en el experimento 1.



4.3.2. Análisis estadístico del experimento 1

Con los resultados obtenidos de la rugosidad superficial, se realiza un análisis

estadístico de varianza, un ANOVA. Para la ejecución de dicho análisis se ha

empleado el software R.

En primer lugar se hará un análisis para ver la influencia de cada factor sobre la

variable respuesta con el ANOVA. El código de significación de la influencia sobre la

rugosidad superficial se muestra en la Tabla 4.11, siendo ‘‘***’’ el factor con mayor

nivel de significación. El criterio de significación escogido en este TFG es el de p-

valor<0,05.

Pr(>|t|) 0 0,001 0,01 0,05 0,1

Código *** ** * .

Tabla 4.11: Código de significación del software R

Los resultados del ANOVA para el experimento 1 se muestran en la Tabla 4.12.

Fuente de

variación

Grados

de

libertad

Suma de

cuadrados

Cuadrados

medios Valor F Pr(>F)

Altura de

capa (h) 1 34,366 34,366 41,3466 0,007625 **

Velocidad de

impresión (v) 1 0,799 0,799 0,9619 0,399039

Temperatura

(t) 1 3,174 3,174 3,8186 0,145684

Grosor de la

pared (g) 1 14,518 14,518 17,4669 0,024956 *

Residuos 3 2,494 0,831 - -

Tabla 4.12: Resultados del ANOVA para el experimento 1.



Los resultados que se obtienen en el ANOVA llevan a las siguientes

conclusiones:

La altura de capa, como era predecible, es el factor más influyente sobre

la rugosidad superficial, con un p-valor<0,01.

Los factores de temperatura y velocidad de impresión no son significativos

sobre la variable de respuesta.

El grosor de la pared afecta a la rugosidad superficial, aunque en menor

medida que la altura de capa, con un p-valor<0,05.

Se puede analizar la contribución de las fuentes de variación a la variabilidad de

la rugosidad superficial, a partir de los resultados obtenidos en el ANOVA, explicada

por el modelo y por el total, expresándose en porcentaje. Para ello se emplearán las

siguientes expresiones:

𝜌1 =𝑠𝑐𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝑠𝑐𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜∙ 100 (Fórmula 4.1)

𝜌2 =𝑠𝑐𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝑠𝑐𝑚𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 + 𝑠𝑐𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟∙ 100 (Fórmula 4.2)

A partir de las anteriores expresiones se construye la siguiente Tabla 4.13 con

las contribuciones de cada fuente de variación a la variabilidad.



Fuente de

variación

Grados

de

libertad

Suma de

cuadrados ρ1 ρ2

Altura de

capa (h) 1 34,366 65,02% 62,09%

Velocidad de

impresión (v) 1 0,799 1,51% 1,44%

Temperatura

(t) 1 3,174 6% 5,73%

Grosor de la

pared (g) 1 14,518 27,47% 26,23%

Residuos 3 2,494 - -

Total 7 55,351 100% 95,49%

Tabla 4.13: Contribución de cada factor a la variabilidad para el experimento 1.

La contribución a la variabilidad más alta es la de la altura de capa, con un

65,02% de la variabilidad del modelo y con un 62,09% de la variabilidad total, frente a

un la velocidad de impresión que no llega a un 2% y la temperatura que no supera el

6%. El grosor de la pared tiene una contribución a la variabilidad media, ya que tiene

un valor de 27,47% de la variabilidad del modelo y un 26,23% de la variabilidad total;

de este modo, el grosor de la pared presenta influencia sobre la rugosidad superficial,

aunque en menor medida que la altura de capa.

Para realizar el ANOVA se hace una hipótesis de que los errores siguen una

distribución normal. Así, se va a comprobar la normalidad de los residuos mediante el

test de normalidad de Shapiro-Wilk. La Tabla 4.14 muestra los resultados de dicho

test.



Shapiro-Wilk

Estadístico p-valor

W 0,86373 p<W 0,1308

Tabla 4.14: Test de normalidad de Shapiro-Wilk para el experimento 1.

Al ser el p-valor menor que el valor estadístico W, se concluye que no existe

evidencia de ausencia de normalidad en los residuos.

Después de hacer el ANOVA y comprobar la normalidad de los residuos, se va

a hacer uso de los test no paramétricos de Spearman y Kendall. Estos dos coeficientes

permiten identificar relaciones monótonas entre parámetros. Además, tienen la

ventaja de que son métodos robustos ante la existencia de valores extraños (outliers)

(Gotway et al., 1994) y no asumen un modelo paramétrico concreto y una distribución

específica de los datos (Bodenhofer et al., 2013).

Los coeficientes Spearman y Kendall se computarán mediante el software R

según la metodología presentada por Carou et al., (2014b). De este modo, se calculará

el coeficiente de correlación entre la variable de salida y los factores del experimento

1 junto a su p-valor, como se muestra en la Tabla 4.15.

Spearman ρ -

p-valor

Kendall τ -

p-valor

Altura de

capa (h)

0,764 0,6618

0,027 * 0,043 *

Velocidad de

impresión (v)

-0,109 -0,094

0,797 0,773

Temperatura

(t)

0,327 0,283

0,429 0,387

Grosor de la

pared (g)

0,546 0,472

0,162 0,149

Tabla 4.15: Test no paramétricos de Spearman y Kendall para el experimento 1.



La correlación de los coeficientes puede variar entre -1, asociación negativa

perfecta, y +1, asociación positiva perfecta; si no hay correlación el coeficiente será 0.

De la realización de estos test no paramétricos se puede ver lo siguiente:

Para la velocidad y temperatura de impresión no se obtienen valores del

coeficiente de correlación que muestren una clara correlación entre la

variable de respuesta y los factores, ni los p-valores cumplen el criterio de

significación (p-valor<0.5).

La altura de capa tiene un coeficiente de correlación próximo a +1 y el p-

valor es significativo, por lo que al igual que en el ANOVA, se concluye

que este valor afecta claramente a la rugosidad superficial. Según el signo

del coeficiente, un incremento de la altura de capa conlleva un incremento

de la rugosidad superficial.

El grosor de la pared no tiene una correlación perfecta pero es positiva y

más cercana al +1 que al 0. No obstante, aunque próximo, el p-valor

obtenido no cumple con el criterio escogido de significación (p-

valor<0,05). Esto puede deberse al número limitado de resultados

estudiados en el experimento 1.

Para obtener una mejor comprensión y visualización más clara de los resultados,

se han realizado representaciones gráficas. En la Figura 4.11 se representan las

rugosidades medias de cada ensayo. Los ensayos se pusieron conforme a la altura

de capa, siendo así e_2, e_3, e_5 y e_7 los correspondientes a un valor de 0,15 mm,

y e_1, e_4, e_6 y e_8 a un valor de 0,25 mm de altura de capa.



Figura 4.11: Rugosidad superficial del experimento 1 agrupadas por altura de capa.

En dicha figura se puede ver que para una altura de capa más pequeña se

obtienen mejores resultados. Además, para un mismo valor de altura de capa los

valores difieren entre sí.

En la Figura 4.12 se representan las rugosidades superficiales obtenidas

agrupadas por grosor de la pared. De este modo, los ensayos e_5, e_7, e_4 y e_8

tienen un valor de 1 mm, y los ensayos e_2, e_3, e_1 y e_6 son los correspondientes

a un valor de 3 mm de grosor de la pared.

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

e_2 e_3 e_5 e_7 e_1 e_4 e_6 e_8

Ra

(mm

)

Ensayo



Figura 4.12: Rugosidad superficial del experimento 1 agrupadas por grosor de la pared.

En la Figura 4.12 se observa una menor rugosidad, en general, para los

experimentos que tienen como parámetro de grosor de la pared 1 mm.

Debido a las discrepancias sobre el grosor de la pared entre el ANOVA y los test

no paramétricos realizados, es necesario un estudio más profundo sobre la influencia

de dicho factor, por lo que se procede a la realización del experimento 2.

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

e_5 e_7 e_4 e_8 e_2 e_3 e_1 e_6

Ra

(mm

)

Ensayo



4.3.3. Resultados de rugosidad superficial del experimento 2

Los resultados de rugosidad superficial y la media realizada para cada ensayo

se pueden ver en la Tabla 4.16:

Ensayo Ra1 (μm) Ra2 (μm) Ra3 (μm) Ra4 (μm) Ra5 (μm) Ra6 (μm) Ra (μm)

f_1 12,761 14,304 13,034 12,87 16,46 12,586 13,669

f_2 15,695 16,514 13,67 15,371 16,64 16,431 15,720

f_3 19,471 21,602 22,279 19,625 20,775 20,536 20,715

f_4 16,733 18,797 14,103 13,592 17,96 14,047 15,872

f_5 16,108 16,705 15,439 15,04 15,91 13,965 15,528

f_6 16,082 18,292 16,925 14,068 14,827 14,734 15,821

f_7 11,591 13,259 14,995 11,947 19,792 14,446 14,338

f_8 18,971 19,016 20,688 19,352 20,013 18,499 19,423

f_9 16,789 16,559 16,638 14,482 16,302 15,181 15,992

f_10 16,39 17,199 19,007 16,626 18,918 16,354 17,416

f_11 17,142 14,435 14,746 16,892 17,001 16,796 16,169

f_12 16,283 16,893 18,545 16,305 17,521 17,145 17,115

f_13 10,698 12,158 12,455 11,721 18,122 11,319 12,746

f_14 18,357 19,093 19,091 17,274 20,99 17,999 18,801

f_15 18,175 18,1 20,777 16,035 15,569 16,799 17,576

Tabla 4.16: Resultados de rugosidad superficial obtenidos en el experimento 2.



Figura 4.13: Medición de probetas.

4.3.4. Análisis estadístico del experimento 2

Con el mismo proceder que en el experimento 1, con los resultados obtenidos

de la medición de los ensayos del experimento 2, se pasa a realizar un análisis

estadístico ANOVA, usando el software R.

En la Tabla 4.17 se pueden ver los resultados obtenidos del ANOVA del

experimento 2. El criterio de significación será el mismo que el escogido en el

experimento 1, es decir, p-valor<0,05.

Fuente de

variación

Grados

de

libertad

Suma de

cuadrados

Cuadrados

medios Valor F Pr(>F)

Tipo de relleno (r) 2 2,184 1,0918 1,2238 0,3438

Grosor de la

pared (g) 4 54,192 13,5480 15,1850 8,319E-04

Residuos 8 7,138 0,8922 - -

Tabla 4.17: Resultados del ANOVA para el experimento 2.



Los resultados obtenidos son que el tipo de relleno no afecta a la variable

respuesta, ya que tiene un p-valor elevado, superior a 0,2. Sin embargo, el grosor de

la pared sale significativo con un p-valor<0,001.

Se procede a estudiar la contribución de las fuentes de variación a la variabilidad,

como se hizo en el experimento 1. Para ello, se emplearán las fórmulas definidas

anteriormente, la Fórmula 4.1 y 4.2. Los resultados se pueden ver en la Tabla 4.18.

Fuente de

variación

Grados

de

libertad

Suma de

cuadrados ρ1 ρ2

Tipo de relleno (r) 1 2,18 3,87% 3,44%

Grosor de la

pared (g) 1 54,19 96,13% 85,32%

Residuos 12 7,14 - -

Total 14 63,51 100% 88,76%

Tabla 4.18: Contribución de cada factor a la variabilidad para el experimento 2.

Para el tipo de relleno se obtiene como resultado que tiene una influencia muy

limitada ya que posee una contribución de 3,87% de la variabilidad del modelo y un

3,44% de la variabilidad total, frente a un 96,13% y un 85,32%, respectivamente, por

parte del grosor de la pared, siendo este parámetro el más influyente del experimento

2.

Al igual que en el experimento 1, se comprobará la normalidad de los residuos

mediante el test de Shapiro-Wilk, como se muestra en la Tabla 4.19; concluyendo que

no existe evidencia de ausencia de normalidad (p<W).



Shapiro-Wilk

Estadístico p-valor

W 0,95369 p<W 0,5844

Tabla 4.19: Test de normalidad de Shapiro-Wilk para el experimento 2.

También se hacen los test no paramétricos de Spearman y Kendall, como se

muestra en la Tabla 4.20. Al igual que en el ANOVA, en estos test se sacan las mismas

conclusiones, teniendo el grosor una correlación positiva alta con la rugosidad

superficial y un p-valor significativo; mientras que el tipo de relleno apenas tiene

correlación con la rugosidad superficial y p-valor no es menor al criterio escogido. De

este análisis, resulta evidente que la existencia de un mayor número de resultados

permite identificar con mayor claridad la influencia del grosor de la pared en la

rugosidad superficial.

Spearman ρ -

p-valor

Kendall τ -

p-valor

Grosor de la

pared (g)

0,895 0,761

6,729E-06 * 0,000179 *

Tipo de

relleno (r)

0,132 0,101

0,638 0,635

Tabla 4.20: Test no paramétricos de Spearman y Kendall para el experimento 2.

Para tener una visión más clara de los resultados se han representado los

resultados de rugosidad media con respecto al grosor de la pared (Figura 4.14),

ordenándose los valores de los mismos de menor a mayor, para ver si hay alguna

correlación. En general, para valores más bajos de grosor de la pared, la rugosidad

superficial mejora.



Figura 4.14: Rugosidad superficial del experimento 2 agrupadas por grosor de la pared.

4.3.5. Resultados de rugosidad superficial de los ensayos de torneado

Se tomaron las medidas de rugosidad antes del torneado, para comparar así los

resultados obtenidos, presentándose en la Tabla 4.21.

Material Ra1 (μm) Ra2 (μm) Ra3 (μm) Ra (μm)

PLA 16,540 14,960 16,360 15,953

ABS 14,810 15,181 14,727 14,906

Nylon Strong 28,080 27,791 28,146 28,006

Tabla 4.21: Rugosidades de las probetas antes del torneado.

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

f_1 f_7 f_13 f_9 f_2 f_4 f_6 f_11 f_5 f_14f_10f_15 f_3 f_8 f_12

Ra

(mm

)

Test



Las medidas de rugosidad, tomadas en cada tramo de las probetas, se pueden

ver en la Tabla 4.22.

Material

Tramo 1 Tramo 2 Tramo 3

Ra1

(μm)

Ra2

(μm)

Ra3

(μm)

Ra1

(μm)

Ra2

(μm)

Ra3

(μm)

Ra1

(μm)

Ra2

(μm)

Ra3

(μm)

PLA 21,856 16,513 17,400 29,669 21,272 26,064 24,346 28,662 21,250

ABS 11,614 13,772 8,474 10,343 13,650 9,873 14,951 17,910 17,991

Nylon

Strong 8,408 12,097 10,369 10,026 10,211 8,787 12,130 11,220 12,357

Tabla 4.22: Resultados de rugosidad obtenidos para las probetas torneadas.

Para mayor claridad, en la Tabla 4.23 se muestran las rugosidades medias de

cada tramo.

Material Ra (μm)

Tramo 1 Tramo 2 Tramo3

PLA 18,590 25,668 24,753

ABS 11,287 11,289 16,951

Nylon Strong 10,291 9,675 11,902

Tabla 4.23: Rugosidades medias de las probetas por tramo.

En la Tabla 4.24 se presentan las temperaturas obtenidas durante el torneado

de las probetas en cada tramo.



Material T (ºC)


PLA 60 26 16

ABS 40 29 26

Nylon Strong 38 31 25

Tabla 4.24: Temperaturas obtenidas durante el torneado de las probetas.

4.3.6. Análisis de resultados de las probetas torneadas

Durante el torneado de la probeta de PLA, se produjo mucha viruta que no

llegaba a romper, debido a que el material es fibroso y, por consiguiente, se obtuvo

una rugosidad superficial peor que sin mecanizado, Ra=15,953 μm. No obstante, la

rugosidad en el tramo 1, torneado en seco, que se obtuvo de Ra=18,59 μm es

considerablemente mejor a las obtenidas en los tramos 2 y 3, dichas con rugosidades

similares, Ra=25,668 μm y Ra=24,753 μm, respectivamente.

La probeta de ABS también formó virutas que no rompían fácilmente, aunque en

menor medida que la probeta de PLA, como puede comprobarse en los resultados

obtenidos. Con el proceso de torneado se mejoró la rugosidad superficial de dicha

probeta en los tramos 1 y 2, en seco y con chorro de aire, respectivamente. Sin

embargo, en el torneado con taladrina pasó de tener un Ra=14,906 μm a Ra =16,951

μm, es decir, se empeoró ligeramente la rugosidad obtenida mediante fabricación

aditiva. No obstante, esta variación de rugosidad no se considera importante debido a

la variabilidad de los resultados de rugosidad obtenidos según la zona de medición

observados en los experimentos 1 y 2.

Por último, se obtuvo una baja calidad superficial para la probeta de Nylon Strong

tras la impresión 3D de la misma, Ra=28,006 μm. Las virutas que se produjeron

durante el torneado se rompían con facilidad, pudiendo obtener buenos resultados de

rugosidad superficial en comparación con los obtenidos tras la impresión. De este

modo, se alcanzaron valores similares en los tres tramos, dando el valor más bajo en

el tramo 2, con Ra=9,675 μm, y el valor más alto de rugosidad en el tramo 3, con

Ra=11,902 μm.



Figura 4.15: Rugosidad superficial en los ensayos de torneado.

Con respecto a las temperaturas obtenidas durante el torneado, el PLA presenta

un mayor cambio térmico, pasando de 60 ºC en el tramo 1 (torneado en seco), a 26

ºC en el tramo 2 y 16 ºC en el tramo 3, refrigeración por chorro de aire y por taladrina,

respectivamente. En el ABS y el Nylon Strong se comportan de manera semejante,

obteniéndose temperaturas entorno a los 38-40 ºC para los torneados en seco, 29-31

ºC para refrigeración por chorro de aire, y 26-25 ºC para refrigeración por taladrina. La

representación gráfica de dichas temperaturas se muestra en la Figura 4.16.

Figura 4.16: Temperaturas obtenidas en los ensayos de torneado.

0

5

10

15

20

25

30

Sin torneado Tramo 1torneado

Tramo 2torneado

Tramo 3torneado

Ra (μ

m)

PLA

ABS

NylonStrong

0

10

20

30

40

50

60

70


T (

ºC)

PLA

ABS

Nylon Strong



5. Conclusiones y trabajos futuros

5.1. Conclusiones

La industria manufacturera está en continuo desarrollo, debido a nuevas

demandas que vienen dadas por cambios sociales y económicos. Uno de estos

cambios, en los últimos años, es la implementación de la fabricación aditiva en el

sector industrial. Pero, dicha fabricación, todavía presenta límites y retos a superar.

Para el avance de la fabricación aditiva es necesaria una comparación con procesos

de fabricación convencionales, como lo es el mecanizado. La comparación y el estudio

de ambos procesos llevan a una mayor comprensión entre las ventajas y desventajas

que presenta cada uno.

Una de las limitaciones que presenta la fabricación aditiva es el acabado

superficial. Sin embargo, en el mecanizado, se puede obtener una alta calidad

superficial. Esto se debe, en parte, al control de los factores de entrada que afectan a

esta variable de respuesta.

En el presente TFG se recoge un estado del arte sobre ambos procesos de

fabricación, dos experimentos para el estudio de los parámetros influyentes sobre la

rugosidad superficial obtenida en fabricación aditiva y la comparación de tres ensayos

de la rugosidad superficial obtenida en probetas, fabricadas con tecnología FDM y

después de su posterior mecanizado. De este modo, se ha llegado a unas

conclusiones de carácter general y particular, que se exponen a continuación.

5.1.1. Conclusiones de carácter general

Estas conclusiones surgen del apartado 2, referidos al estado del arte.

La fabricación aditiva es un tema de interés público, estando cada vez

más presente en distintos sectores industriales, como en el aeroespacial

o automoción, debido a ciertas ventajas que presentan los productos

realizados con este tipo de fabricación no convencional, como reducción

del peso y ausencia de ensamblajes o montaje.



La fabricación aditiva presenta límites y retos que son necesarios superar

para su completa implantación en la industria.

Existe un campo amplio de estudio sobre materiales y procesos en

mecanizado y fabricación aditiva.

Las rugosidades superficiales obtenidas en fabricación aditiva pueden

limitar la implantación de dicha tecnología en ciertas aplicaciones.

Mediante procesos de mecanizado se puede obtener una buena calidad

superficial, pudiendo así, hacer un post-procesado en piezas de

fabricación aditiva para mejorar la misma.

Las máquinas híbridas pueden ser una solución, pudiendo beneficiarse

de las ventajas que presenta la fabricación aditiva durante la producción

y de las ventajas de acabado que presenta un proceso de mecanizado.

5.1.2. Conclusiones de carácter particular

Las conclusiones con carácter particular se establecen a partir de la metodología

desarrollada, su aplicación y análisis de resultados, presentados en los apartados 3 y

4.

Mediante un diseño de experimentos y un análisis estadístico se puede

estudiar la influencia de ciertos factores de fabricación aditiva sobre la

rugosidad superficial, en este caso, la desviación media aritmética Ra.

La altura de capa es el factor más influyente sobre la rugosidad superficial

en procesos de fabricación aditiva, como ya habían concluido otros

autores.

La influencia de la altura de capa resalta sobre la escasa influencia de la

velocidad y temperatura de impresión.

El grosor de la pared también es influyente sobre la variable de respuesta,

aunque en menor medida que la altura de capa.

El tipo de relleno no es influyente sobre la rugosidad superficial.

Con valores más bajos, tanto de altura de capa como de grosor de la

pared, se obtienen mejores resultados de rugosidad superficial.



El PLA no es un material adecuado para el mecanizado, mientras que el

Nylon Strong y el ABS sí lo son, aunque este último en menor medida que

el Nylon Strong.

El PLA, tras el torneado, presenta un peor acabado superficial que el

obtenido simplemente por FDM.

El ABS posee una mejor rugosidad superficial después del torneado en

seco y con chorro de aire. Sin embargo, para el torneado con sistema de

refrigeración por taladrina presenta peores rugosidades superficiales que

las presentadas por fabricación aditiva.

El Nylon Strong mejora notablemente la rugosidad superficial tras el

torneado.

5.2. Trabajos futuros

El presente TFG comprende un área de conocimiento cambiante y con un rápido

avance, por lo que es preciso su estudio, para aportar y desarrollar nuevas líneas de

actuación en los procesos de fabricación expuestos. A continuación se exponen

algunas líneas de actuación para desarrollos futuros:

Estudio y experimentación sobre otros parámetros que puedan afectar a

la rugosidad superficial en fabricación aditiva.

Desarrollar diferentes geometrías en fabricación aditiva, para ver cómo

afecta la forma a las propiedades del producto.

Estudio comparativo sobre el rendimiento de distintos procesos de

fabricación aditiva y sustractiva.

Análisis comparativo entre piezas obtenidas en máquinas híbridas y

obtenidas mediante mecanizado.

Experimentos sobre el comportamiento de distintos materiales (propios de

fabricación aditiva) ante el mecanizado.

A partir de los resultados del presente TFG se han elaborado dos artículos de

investigación que en el presente momento se encuentran, uno en curso y, el otro, en



estado de revisión en revistas científicas internacionales de prestigio revisadas por

pares.

Estos dos trabajos incluyen un artículo de revisión de literatura científica relativa

al acabado superficial obtenido en procesos de fabricación aditiva y mecanizado y un

estudio experimental para la identificación de factores críticos en impresión FDM que

permitan obtener una buena calidad superficial. Estos trabajos son los siguientes:

M. Pérez, D. Carou, G. Medina, R. Dorado. A comparative review on

surface quality in additive manufacturing and machining. En curso.

M. Pérez, G. Medina, A. García, M. Gupta, D. Carou. Surface quality

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